Nanofotonika w medycynie

Nanofotonika zajmuje się oddziaływaniem światła ze strukturami w skali nanometrycznej. Ponieważ obiekty tych rozmiarów są porównywalne pod względem wielkości do długości fal światła widzialnego, pojawiają się niezwykłe interakcje światło-materia, które można wykorzystać do tworzenia instrumentów nanofotonicznych o określonych funkcjach. Urządzenia te manipulują światłem i badają je, wraz z jego zachowaniami na obiektach w skali nano. Nanofotonika, będąca interdyscyplinarną nauką łączącą przede wszystkim nanotechnologię i optykę, wyłania się jako dziedzina wykorzystująca charakterystyczne cechy materiałów świetlnych i nanoskalowych w celu zdefiniowania na nowo metod diagnostycznych, terapeutycznych oraz monitorujących w opiece zdrowotnej. W szczególności wykrywanie, zapobieganie i leczenie chorób przy użyciu fotoniki stało się szybko rozwijającym trendem. Punkt wyjścia stanowią wysoce czułe, optyczne metody wykrywania, które wykorzystują elementy nanoskalowe, w tym kropki kwantowe, nanocząstki plazmoniczne czy kryształy fotoniczne. Materiały te charakteryzują się wyjątkowymi cechami optycznymi umożliwiającymi identyfikację subtelnych biomarkerów i anomalii aktywności komórkowej, ułatwiając w ten sposób dokładną diagnozę chorób. Przypuszcza się, że nanofotonika zwiastuje erę transformacji w medycynie precyzyjnej, dostarczając innowacyjnych narzędzi do wczesnej diagnostyki chorób, terapii ukierunkowanych i spersonalizowanych, monitorowania w czasie rzeczywistym. Trwające postępy w tej dziedzinie dają ogromne nadzieje na przekształcenie świadczenia opieki zdrowotnej, a także poprawę wyników leczenia pacjentów, gdzie dostosowane i skuteczne metody leczenia staną się standardową praktyką.

Nanobiosensory

Urządzenia nanofotoniczne otworzyły ekscytujące perspektywy w dziedzinie biosensorów i pojawiły się, aby rozwiązać ograniczenia obecnych metod bioanalitycznych pod względem czułości, przepustowości, łatwości użytkowania i miniaturyzacji. Niebagatelne jest także wykorzystanie w tych instrumentach nanomateriałów, a przede wszystkim nanocząstek metalicznych, nanomateriałów opartych na węglu, nanocząstek polimerowych oraz nanokompozytów. Nanobiosensory wychwytują obecność docelowej cząsteczki lub analitu w próbce przy użyciu dedykowanych komponentów biorozpoznawczych, takich jak przeciwciała, nici DNA lub enzymy. Taka interakcja powoduje mierzalną zmianę właściwości optycznych przetwornika, która jest bezpośrednio skorelowana ze stężeniem analitu. Ze względu na małą skalę urządzeń zjawiska takie jak np. rezonanse plazmoniczne można wykorzystać do zwiększenia poziomów sygnału, a tym samym – poprawy czułości techniki. Najczęściej spotykane optyczne biosensory opierają się na zasadzie tzw. pola zanikającego, wykorzystując na ogół nanotechnologię nanoplazmoniki i fotoniki krzemowej. Biosensory pola zanikającego mogą wykrywać oddziaływania biomolekularne zachodzące na powierzchni czujnika w czasie rzeczywistym, oferując tym samym szybką, prostą i nieinwazyjną technikę badania procesów biochemicznych lub ilościowego określania analitów. Biosensory nanofotoniczne mogą ułatwić szczegółową i dokładną diagnozę chorób, a także precyzyjnie ukierunkować opiekę zdrowotną. Wczesne i dokładne rozpoznanie jest niezbędne do wybrania najbardziej odpowiedniej terapii i zastosowania jej na czas. Wykorzystanie tych urządzeń daje szanse na stałe monitorowanie np. poziomu hormonów, obecności toksyn i wirusów oraz innych biomarkerów. Mogą przysłużyć się poprawie samoopieki pacjentów w domu, a także wspomóc lekarzy w terapii, dzięki dostarczaniu szybkiej informacji o poziomie wskaźników.

Nanofotonika w leczeniu nowotworów

Fototerapia oparta na nanotechnologii wzbudziła zainteresowanie w walce z rakiem ze względu na jej  niską inwazyjność, wysoką elastyczność i precyzję, a także dostarczanie leków w oparciu o właściwości powierzchni oraz rozmiar. Aby poprawić wydajność fototerapii chorób nowotworowych, opracowywane są specjalne środki światłoczułe, coraz częściej w oparciu o nanostruktury np. złota, srebra, ale także kropek kwantowych czy nanorurek węglowych. Nanocząstki obdarzone określonymi właściwościami optycznymi umożliwiają precyzyjne dostarczanie leków do docelowych miejsc, ograniczając efekty uboczne. Mogą być stosowane także jako platformy dostarczania. W przypadku kompleksu nanocząstka-fotouczulacz do powierzchni nanostruktury przyłączane są różne ligandy, w tym m.in. przeciwciała czy cząsteczki kwasu foliowego. Takie podejście znacznie poprawia selektywność akumulacji substancji światłoczułych. Co ważne, manipulując rozmiarami nanocząstek, można uniknąć ich przedostawania się do zdrowych tkanek, gdyż przez ściany naczyń krwionośnych większości guzów przenikają cząstki o rozmiarach od 100 do 780 nm, podczas gdy dla zdrowych tkanek ta przestrzeń mieści się w zakresie od 2 do 6 nm. Nanomateriały wrażliwe na światło w sposób kontrolowany uwalniają lek w wyniku działania bodźców zewnętrznych, zwiększając skuteczność leczenia. Ponadto charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji fototermicznej.

Nanofotonika w obrazowaniu

Zaawansowane techniki obrazowania wykorzystujące urządzenia nanofotoniczne zapewniają niespotykaną dotąd rozdzielczość i czułość, umożliwiając kompleksowe i nieinwazyjne monitorowanie procesów komórkowych. Analiza oddziaływań światło-materia w różnych skalach – od wykrywania pojedynczych cząsteczek, po obrazowanie o wysokiej rozdzielczości – w oparciu o fluorescencje komórek lub tkanek jest ważnym elementem diagnostyki medycznej. Nanocząstki wykazują unikalne cechy odpowiednie do zastosowań w obrazowaniu biomedycznym. Ich niewielkie rozmiary, ale także w większości brak cytotoksyczności, sprawiły, że służą wzmocnieniu kontrastu w optycznych technikach obrazowania, w tym m.in. obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (z ang. magnetic resonance imaging, MRI), koherencyjnej tomografii optycznej (z ang. optical coherence tomography, OCT) czy obrazowaniu fotoakustycznym (z ang. photoacoustic pmaging, PAI). Niewielki rozmiar tych struktur wpływa na łatwość przenikania przez warstwy tkanek i skuteczniejsze rozpraszanie światła, co skutkuje zarówno wzmocnieniem kontrastu, jak i zwiększeniem głębokości obrazowania. W technikach obrazowania najczęściej wykorzystywane są m.in. superparamagnetyczne nanocząsteczki tlenku żelaza, znane ze swojej zdolności adaptacji i profilu bezpieczeństwa. Oprócz nich wykorzystywane są także nanocząstki złota, srebra czy kobaltu.

Podsumowanie

Techniki obrazowania wykorzystujące osiągnięcia nanofotoniki są wykorzystywane do charakterystyki tkanek miękkich, trójwymiarowego bioobrazowania czy diagnostyki nowotworów. Wykorzystanie nanotechnologii znacząco udoskonala współcześnie wykorzystywane podejścia metodyczne i wytycza nowe ścieżki rozwoju.