Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 22 – vyšlo 20. června, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nanoantény v lékařství

Margarita Plotnikova

Katedra telekomunikační techniky, FEL ČVUT

V dnešní době slovo nanotechnologie již nikoho nepřekvapí a zní jako běžná součást života. Kdysi na první pohled fantastické předpoklady vývoje nanotechnologií se teď pomalu, ale jistě stávají realitou. Lidé se již naučili posouvat jednotlivé atomy a skládat z nich mechanizmy a aparáty neuvěřitelně malých rozměrů, a proto také neviditelné pouhým okem. Nanotechnologie mají velký potenciál komerčního využiti v mnoha odvětvích, a proto výzkum v tomto směru vedou velké korporace po celém světě. Nanotechnologie mohou přivést svět k nové technologické revoluci a úplně změnit nejenom ekonomiku, ale také život i životní prostředí člověka. V rámci tohoto bulletinu se zaměříme na oblasti lékařského využití. V lékařství problém nanotechnologií spočívá v potřebě měnit strukturu buňky na molekulární úrovni, tedy realizovat molekulární chirurgii pomocí nanobotů. Očekává se vznik molekulárních robotů-lékařů, které mohou „žít“ uvnitř lidského organizmu za účelem detekce, oprav a následného předcházeni poškození lidského těla. Díky manipulaci s jednotlivými atomy organizmu pomocí nanobotů můžeme docílit opravy buněk. Pod pojmem nanobotů mohou být zahrnuty i specificky upravené baktérieBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. nebo viryVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů., oblast tedy zahrnuje i úpravy živých organizmů.

Umělecká představa nanobota. Zdroj: Yale Scientific Magazine.

Nanobot – zkratka slova nanorobot. Jedná se o miniaturní zařízení složené z nanokomponent, atomů či molekul, které dokáže vykonávat některé jednoduché funkce.

Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959.

Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů.

HeLa buňky – nádorové buňky používané k experimentům, jejichž prapředek byl odebrán v roce 1951 z nádoru děložního hrdla Henrietty Lacksové (HeLa). Buněčná linie je kultivována v mnoha laboratořích světa.

V současné době tato technologie již značně pokročila, a proto se v dalším pokusíme o stručný přehled stávajícího stavu i o výhled do budoucnosti. Aplikace nanotechnologií v lékařství lze rozdělit na dvě oblasti: oblast bez nutnosti komunikace a řízení zvenčí a oblast s nutností komunikace a vnějším řízením.

Nanotechnologie (nanoboti) bez nutnosti komunikace

Typickým projektem technologie je realizace geneticky modifikovaných bakterií – nanobotů – schopných detekce buněk zhoubných nádorů a poté aktivace léku působícího přímo na postiženou buňku. Projekt z roku 2013 realizovaný na Národní Univerzitě Chonnam (Chonnam National University) – Jižní Korea – detekuje specifické proteiny rakovinné buňky a nanobot disponuje speciálním zásobníkem pro lék.

Schéma „Bacteriobotu“. Polystyrénový mikrokorálek s barvivem je označen písmeny PM a baktérie S. typhimurium je označena B. Zdroj: Chonnam Nat. University [1].

Nová technologie a konstrukce nanobotů dostala název „bacteriobot“, byla již patentována v desítkách zemí, včetně Japonska, Spojených států a všech zemí Evropské unie.

Jiná varianta boje proti rakovině s použitím nanočástic a nanobotů, vyvinutá vědci z Tomské univerzity (Ruská federace), jsou magnetické nanočástice v podobě sférických magnetů. Průměr magnetů je od 3 do 15 nanometrů a jsou „zabaleny“ do liposomů obsahujících molekuly léků. Nanoboty cíleně zasahují nádorové buňky – do cílové oblasti jsou přitaženy magnetem, který je umístěn na těle pacienta [2].

Nanoboti s nutností komunikace

Pro skutečnou činnost je ovšem velkou výhodou možnost komunikace a řízeného pohybu. Příkladem řízení pohybu budoucích nanobotů jsou pokusy na Penn State University využívající kombinace ultrazvuku a elektromagnetického pole k ovládání nanobotů z polymetalických válců o délce 3 mikrometry a průměru 300 nanometrů. Ukázka řízení je vidět na obrázku.

Řízení pohybu (budoucích) nanobotů pomocí ultrazvuku a magnetického pole [3].

Většina těchto projektů, obvykle zapojených do projektů eHealth nebo pHealth, je součástí vyšší struktury komunikace. Struktura může mít členění komunikace jako projekt HeRo (Health Robot) realizovaný na ČVUT FEL v Praze – viz [5]. Zde nanoboty představují jednu ze součástí systému a jsou určeny pro předávání informací (například o obsahu cukru v krvi) do dalších zařízení, například inzulinové pumpy.

Všechny tyto projekty mají v současné době společný problém – realizaci komunikace s vnějším prostředím. Zatímco realizace samotné elektroniky nanobota dnes není složitá, tak problémem je vlastní anténa. Nanobot se musí pohybovat v krevním řečišti a jeho velikost by tedy neměla být větší než velikost červené krvinky – 6 až 8 mikrometrů. Problém je ovšem v tom, že při průchodu vlásečnicí krevního řečiště se musí červená krvinka protáhnout vlásečnicemi s průměrem i 3 mikrometry a tomu musí odpovídat maximální rozměr nanobota, resp. jeho antény. Tím se ovšem dostáváme na nové pole návrhů antén, které je teprve v počátcích. Velikost samotné antény posouvá kmitočtovou oblast pro komunikaci do řádu THz. K dispozici nejsou žádné návrhové systémy, vlastní návrhy samotných tvarů antén jsou v počátcích. Problémy jsou s vlastnostmi klasických materiálů v oblasti nanotechnologií, a proto se řada nových výzkumů obrací na zcela odlišné struktury – jednou z možností je použití grafenu, tedy materiálu, kde atomy uhlíku jsou uspořádány jako plochá dvourozměrná hexagonální struktura. Toto velice obšírné téma bude proto předmětem samostatného článku.

Pokus s pohybem zlatých nanotyčinek v HeLa buňkáchHeLa buňky – nádorové buňky používané k experimentům, jejichž prapředek byl odebrán v roce 1951 z nádoru děložního hrdla Henrietty Lacksové (HeLa). Buněčná linie je kultivována v mnoha laboratořích světa.. Pohyb je řízen akustickým
polem. Zdroj: PSU Science Media Relations/YouTube. (mp4/h264)

Odkazy