Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Nanorurki węglowe w medycynie (cz. II)
Nanorurki węglowe w medycynie (cz. II)
Nanorurki węglowe to struktury o wysokim potencjale aplikacyjnym, również w medycynie. Prowadzone są liczne prace nad ich zastosowaniem przede wszystkim w terapii chorób, ale także w medycynie regeneracyjnej, diagnostyce, obrazowaniu oraz produkcji i analizie czystości farmaceutyków.

Medycyna regeneracyjna

Medycyna regeneracyjna ma na celu naprawę i odtworzenie komórek i tkanek uszkodzonych w wyniku choroby lub wypadku. Nauka ta korzysta przede wszystkim z osiągnięć inżynierii tkankowej i badań nad komórkami macierzystymi. W dziedzinie tej nanorurki mogłyby zostać wykorzystane jako rusztowania dla wzrostu tkanek i narządów. Szczególnie zaawansowane badania w tym kierunku dotyczą regeneracji tkanki kostnej i nerwowej. Już w 2002 roku zademonstrowano, że kompozyt złożony z nanorurek i polilaktydu stymuluje proliferację osteoblastów. W późniejszych latach testowano inne składy kompozytu (m.in. dodatek poliwęglanu uretanowego czy kwasu glikolowego), a ostatecznie w 2006 roku dowiedziono, że nanorurki same w sobie również mają bardzo pozytywny wpływ na rozwój komórek tkanki kostnej. Dwa lata później po raz pierwszy zaobserwowano regenerację tkanki kostnej przy użyciu nanorurek in vivo (na modelu mysim). Mechanizm tej stymulacji nie jest jednak do końca wyjaśniony. Wyniki jednych z badań sugerują, że nanorurki przyciągają jony wapnia, aktywując tym rozwój osteoblastów. Inne badania dowodzą, ze aktywacji osteoblastów towarzyszy osadzanie się hydroksyapatytu na powierzchni rurek węglowych.

Od ponad 10-ciu lat badane jest również zastosowanie nanorurek węglowych jako rusztowania dla wzrostu neuronów. Jak dotąd udowodniono ich przydatność do adhezji komórek nerwowych i stymulacji wzrostu aksonów. Wykazano też pomoc nanorurek w regeneracji komórek Schwanna. Przeprowadzono także badania mające na celu zróżnicowanie zarodkowych komórek macierzystych do komórek nerwowych. W badaniach tych zastosowano stymulację prądem, wykorzystując dobre przewodnictwo elektryczne nanorurek.

Inne tkanki, do których naprawy lub odtwarzania wykorzystano właściwości nanorurek węglowych to tkanka chrzęstna i mięśniowa (zarówno szkieletowa jak i mięsień serca). W badaniach przeprowadzonych in vitro pokazano, że nanorurki stymulują dojrzewanie mięśnia sercowego oraz umożliwiają różnicowanie mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) do kardiomiocytów.

Diagnostyka

Odpowiednio wczesne wykrycie choroby znacznie zwiększa szanse na skuteczne wyleczenie pacjenta. Stąd zapotrzebowanie na czułe i selektywne sensory w diagnostyce medycznej. Tradycyjny biosensor składa się z części receptorowej, czyli warstwy rozpoznającej badany analit; elementu przetwornikowego, czyli warstwy, która zamienia sygnał otrzymany przez receptor na parametr mierzalny; oraz z wzmacniacza i układy elektronicznego umożliwiającego odczyt mierzonej wartości. W biosensorach opartych o nanorurki, struktury węglowe pełnią rolę przetwornika. Wykorzystując różne właściwości nanorurek można powiązać stężenie analitu z różnymi parametrami mierzalnymi, takimi jak przewodnictwo elektryczne, fluorescencja czy rozpraszanie ramanowskie. Dodatkowo, ze względu na nieograniczoną wręcz możliwość funkcjonalizacji nanorurek, stosunkowo łatwo można osadzić na nich warstwę receptorową. Receptor (często enzym lub przeciwciało) może być związany z nanorurką kowalencyjnie lub na zasadzie absorbcji. Do metod służących immobilizacji receptora na nanorurce zaliczyć też można elektropolimeryzację i enkapsulację. Jak dotąd opracowano biosensory m.in. do wykrywania:

  • glukozy. W układzie tym nanorurki związane są z oksydazą glukozową. Dzięki dobrym właściwościom przewodzącym nanorurek, następuje szybkie przeniesienie elektronów pomiędzy enzymem a przetwornikiem.
  • antygenów boreliozy. Przeciwciała wykazujące duże powinowactwo do antygenu p42 zostały przyłączone do nanorurek kowalencyjnie. Test umożliwia wykrycie biomarkerów boreliozy w stężeniach już od 1 ng/ml.
  • dopaminy. Taki sensor wykorzystuje enzym: oksydazę polifenolową i może być używany do wykrywania stężenia neuroprzekaźnika (dopaminy) w mózgu i krwi. Sensor ten był pierwszym czujnikiem zaprojektowanym w oparciu o elektrody nanorurkowe.
  • cholesterolu. Czujnik wykorzystujący oksydazę cholesterolową (peroksydazę).

To oczywiście tylko kilka z bardzo wielu przykładów. Innymi enzymami wykorzystanymi w sensorach opartych o nanorurki są esteraza acetylocholinowa, peroksydaza chrzanowa czy oksydaza aminokwasowa.

Znane są też biosensory nanorurkowe do wykrywania określonych sekwencji kwasów nukleinowych. W takich układach jednoniciowe cząsteczki DNA są zazwyczaj osadzone na powierzchni elektrody. Związanie sekwencji komplementarnej powoduje elektrochemiczną odpowiedź sensora. Takie czujniki mogą być używane do wykrywania określonych sekwencji genomowego DNA lub do identyfikowania mutacji.

Źródła
  1. Carbon Nanotubes: Applications in Pharmacy and Medicine, BioMed Research International 2013
  2. Safe Clinical Use of Carbon Nanotubes as Innovative Biomaterials, Chemical Reviews 2014
  3. Carbon Nanotubes in Regenerative Medicine, Carbon Nanotubes for Biomedical Applications 2011
  4. Detecting Lyme disease using antibody-functionalized single-walled carbon nanotube transistors. Biosensors and Bioelectronics, 2013
  5. Evaluation of carbon nanotubes as chiral selectors for continuous flow enantiomeric separation of carvedilol with fluorescent detection, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2012
KOMENTARZE
Newsletter