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.

{page_break}

Obrazowanie

Część zmian patologicznych w organizmie można wykryć za pomocą obrazowania. Współczesna medycyna stosuje w tym celu takie techniki jak RTG i tomografia komputerowa (promieniowanie rentgenowskie), tomografia emisyjna i scyntygrafia (izotopy promieniotwórcze), jądrowy rezonans magnetyczny (pole magnetyczne), USG (ultradźwięki) czy termografię. Za wykorzystaniem nanorurek do obrazowania medycznego przemawiają ich niezwykle interesujące właściwości optyczne. Struktury te charakteryzują się dobrą fotostabilnością, znakomitą absorpcją światła w podczerwieni oraz zdolnością do emitowania fluorescencji w różnych zakresach długości fal (w zależności od struktury i modyfikacji). Dzięki temu mogą być użyte m.in. do obserwacji właściwości komórek i monitorowania zmian zachodzących w ich rozwoju. Naukowcom udało się za pomocą nanorurek zobrazować organy w organizmach żywych, takich jak muszka owocowa, mysz czy królik.

Produkcja i ocena czystości leków

Ponad połowa wszystkich używanych obecnie leków to związki chiralne. Dodatkowo, 88% z nich produkowanych jest jako mieszanina racemiczna, z której należy wyizolować właściwy enancjomer. Stąd zapotrzebowanie na skuteczne, szybkie i efektywne metody rozdzielania izomerów optycznych w przemyśle farmaceutycznym. W tej dziedzinie również z pomocą mogą przyjść nanorurki węglowe. Dotychczas zademonstrowano m.in. użycie mikro-kolumn wypełnionych nanorurkami do oczyszczania karwediolu, leku stosowanego w przypadku chorób serca (przewlekła niewydolność, nadciśnienie, choroba niedokrwienna). Drugim przykładem może być rozdzielanie izomerów klenbuterolu (substancji dopuszczonej w niektórych krajach do użytku weterynaryjnego) za pomocą TLC, gdzie fazę stacjonarną stanowią nanorurki z resztami cyklodekstranowymi. Ze względu na swoje niezwykłe właściwości absorpcyjne, nanorurki mogą być też wykorzystane do ekstrakcji leków (ang. solid phase ekstraction, SPE) z mieszaniny reakcyjnej. Jak dotąd testy analityczne dotyczące tej metody przeprowadzono dla takich farmaceutyków jak benzodiazepiny, sulfonamid, kilka grup antydepresantów, propranolol i chinina.

Czy to jest bezpieczne?

Niestety nie można w chwili obecnej jednoznacznie ocenić ryzyka związanego z potencjalnym stosowaniem nanorurek węglowych w medycynie i diagnostyce. Badania dotyczące ich toksyczności przyniosły bardzo różne, czasami wręcz sprzeczne wyniki. W wielu laboratoriach zademonstrowano skuteczność tych materiałów w leczeniu lub wykrywaniu chorób, szczególnie podkreślając brak efektów ubocznych, ale znane są też prace, które dowiodły, że nanorurki mogą wykazywać właściwości zbliżone do azbestu. Na szczęście w tym konkretnym przypadku chodziło o nanorurki o strukturze bardzo wąskiej i bardzo długiej, czyli takiej, która i tak nie znalazłaby praktycznego zastosowania w medycynie. Należy jednak pamiętać, że większość badań toksykologicznych wykonano jak dotąd in vitro i na zwierzętach. Nie ma zatem pewności, czy materiały te będą zachowywały się identycznie w organizmie człowieka.

Nanorurki węglowe, tak jak każda nowa technologia, niosą ze sobą bardzo wiele możliwości, ale również wzbudzają pewne obawy. Dopiero badania kliniczne, wraz z długoterminową obserwacją skutków wprowadzenia nanorurek do organizmu, pozwolą ocenić ryzyko związane z ich stosowaniem i jednoznacznie odpowiedzą na pytania dotyczące bezpieczeństwa.