나노 입자, 이게 지구상에서 무엇이고 어떻게 나를 도울 수 있습니까?
약물 전달
세포로 가득 찬 페트리 접시에 잘 작용하는 약물이 환자에게 항상 효과가있는 것은 아닙니다. 혈액에서 약물은 "외부"로 인식되어 면역 체계에 의해 공격받을 수 있습니다. 일부 약물은 혈액에서 안정적이지만 충분한 양으로 올바른 종류의 세포에 들어 가지 않습니다. 다른 사람들은 잘못된 종류의 세포에 들어가서 비 표적 조직에서 부작용을 일으 킵니다.
이러한 약물을 나노 입자로 연결하거나 코팅하면 이러한 많은 문제에 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 췌장암, 유방암 및 특정 유형의 폐암을 치료하는 데 사용되는 화학 요법 인 파클리탁셀은 나노 입자에 부착 될 때 훨씬 잘 작동하며이 나노 의학은 현재 임상 적으로 사용되고 있습니다.
일부 암은 특히 입수하기가 어렵습니다. 예를 들어, 대부분의 화학 요법은 일반적으로 주사 또는 섭취되기 때문에 뇌종양을 치료하는 데 효과적이지 않으며 혈액 뇌 장벽으로 인해 뇌에 도달하지 못합니다. 그러나 Alexander Stegh와 Chad Mirkin이 이끄는 시카고의 노스 웨스턴 대학교 (Northwestern University)의 팀은 구형 핵산 (SNA)이라고 불리는 나노 입자를 생각해 냈습니다. Stegh 박사는“SNA는 혈뇌 장벽을 가로 질러 혈류를 통한 투여시 효과적으로 뇌종양에 축적 될 수 있으며 부작용없이 종양 부담을 줄일 수있다”고 말했다. 그는 교 모세포종이라 불리는 공격적인 뇌종양으로 동물 모델에서 테스트를 거쳤으며 곧 인간을 대상으로 시도 할 계획입니다.
대부분의 경우, 우리 몸은 결국 암이 될 수있는 돌연변이 함유 세포를 감지하여 제거합니다. 그러나이 세포들이 죽기를 거부하면 종양이 생길 수 있습니다. Stegh와 Mirkin의 솔루션은 특수 분자 (작은 간섭 리보 핵산 (RNA))를 사용하여 암 세포 내부의 비정상적인 사망 방지 신호를 중단하고 파괴합니다. 금 나노 입자 코어는 트럭으로 작용하여 RNA를 암 세포에 제공하여 전체 나노 입자가 휩싸이게한다. 세포 내부에 들어가면 RNA가 작동합니다.
Nanochemotherapeutics는 일종의 Choose Your Own Adventure 서적과 비슷합니다. 약물을 맞춤화하기 위해 많은 다른 분자들이 모여있을 수 있습니다. 금은 종종 차량입니다. 그것은 종양 유형과 특정 돌연변이에 특정한 약물로 덮여있을 수 있습니다. 또한, 약물을 올바른 세포로 표적화하는 분자와 면역계에서 나노 입자를 숨기는 분자로 덮여있어 작업을하기 전에 파괴 할 수 없습니다. 이 혁신은 다가오는 개인화 된 의학 시대에 없어서는 안될 부분 일 것입니다. 메간 컬리
나노 로봇 구축
나노 기술 장치의 규모는 많은 단백질과 세포의 크기와 비슷합니다. 나노 기술자들이 애니메이션 로봇 같은 것을 만들 수 있다면 이론상으로이 "로봇"(아래는 핀의 머리 부분에 표시되어 있음)은 약물을 전달하거나 병든 세포를 패치하거나 죽이는 몸 주위를 돌아 다니기에 적합한 크기입니다. 암성 세포. 이것은 공상 과학적으로 들리지만 나노 단계이지만 나노 로봇을 향한 발걸음이 만들어지고 있습니다.
우선, A에서 B로 가려면 운송 시스템이 필요합니다. 나노카는 어때요? 휴스턴 라이스 대학교의 화학자 제임스 투어 (James Tour)는 풀러렌 (fullerenes)이라 불리는 큰 탄소 기반 구형 분자로 만든 완전한 기능성 휠을 사용하여 자동차처럼 보이는 분자를 만들었습니다.
물리학 자 앤드류 터버 필드 (Andrew Turberfield)가 이끄는 옥스포드 대학교 (Oxford University)의 연구원들은 자연에서 빌린 트릭을 사용하여 나노 트레인을 만들었다. 연구팀은 키네신 (kinesin)이라는 모터 단백질이 이동하는 마이크로 미터 크기의 튜브에서 트랙을 만들었다. 키네신은 단백질이 더 많은 트랙을 만들거나, 그 트랙을 따라 염료 분자를 운반하도록 지시하는 특정 DNA 서열을 포함하도록 구성되어있다.
움직이는 부품으로 나노 머신을 만든 후에는 자율적으로 발전 할 수있는 힘이 필요합니다. Pennsylvania State University의 화학자 Tom Mallouk와 그의 팀은 음파를 사용하여 움직이는 간단한 나노 모터를 만드는 방법을 발견했습니다. 모터는 금과 백금으로 만든 막대입니다. 막대의 한쪽 끝이 오목하고 다른 쪽이 볼록하므로 초음파가 각 끝에서 다르게 튕겨 나옵니다. 이것은 막대가 물속에서 초당 자신의 몸 길이의 최대 100 배까지 돌고 회전 할 수있는 충분한 힘을줍니다.
나노 로봇이 특정 작업을 수행하는 기계는 이미 개발 중에 있습니다. Georgia Institute of Technology의 Gang Bao는 손상된 DNA 부분을 잘라 내고 템플릿을 사용하여 나노 크기의 DNA 수리-봇을 만들어 손상되지 않은 부분으로 대체합니다. Bao의 연구는 겸상 적혈구 환자의 손상된 DNA를 복구하는 것을 목표로합니다.
다음 단계는이 부품들을 완전히 기능하는 의료용 나노 로봇으로 만드는 것입니다. 그 가능성은 누구에게 물어 보느냐에 달려 있습니다. Turberfield는 의학이 흥미 진진한 응용이지만, 나노 트레인이 할 수있는 일에 대해서는 아직 추측 할 수 없다고 말했다. 마찬가지로 Mallouk은 세포의 내용물을 휘젓거나 막을 뚫을 수있는 살아있는 세포에서 모터를 테스트했지만 아직 의료 기능이 없습니다.
Manchester University의 나노 기술자 인 Kostas Kostarelos는 신체의 특정 위치로 안내 될 수있는 자성 수영 나노 입자를 만들고 있습니다. 그러나 그는 "스마트 한"의료용 나노 로봇의 개발이 불가능하다고 생각합니다. 더 현실적인 것은 동일한 작업을 반복해서 반복 할 수있는 나노 머신을 만드는 것이라고 그는 말했다.
그러나 Mallouk은 자신의 모터가 최소 침습 수술과 같은 작업을 수행 할 수있는 약간 더 큰 로봇 형 기계에 동력을 공급하도록 개발 될 수 있다고 생각합니다. "우리는 전력, 논리, 제어, 감지, 다른 로봇과의 통신 및 외부 세계와의 통신을 구축하고 싶다"고 말했다.
질병 진단
이성희와 그의 성균관대 학교 연구팀은 나노 기술을 사용하여 파킨슨 병의 징후를 감지하고있다. 파킨슨 병 환자는 혈액보다 요산이 25 % 적으며, 조기 진단이 질병 진단 및 치료에 큰 도움이 될 것입니다. 그러나 간단하고 저렴한 장치로 요산 농도의 작은 차이를 측정하는 것은 끝내기가 어렵습니다.
나노 기술의 교활한 사용은 모든 것을 변화시킵니다. Lee의 연구팀은 그래 핀 (위의)으로 만든 매우 구멍이있는 스펀지를 사용했는데, 이는 전기를 실제로 잘 전달하는 단일 원자 두께의 탄소 층입니다. 스펀지의 모공 내부에서 Lee는 나노 크기의 산화 아연 바늘을 자랐습니다. 전자 회로를 만들기 위해 배선 할 때, 혈액 샘플의 요산 분자는 이러한 나노 바늘의 표면에 달라 붙어 전자의 일부를 잃습니다. 그래 핀 스펀지 센서는 그 안에 갇힌 산화 아연 바늘의 수가 많기 때문에 요산 농도의 작은 변화를 발견 할 수 있습니다. 바늘의 크기가 나노 크기이므로 요산 분자가 달라 붙는 표면적이 넓습니다. 요산 농도의 변화는 전자에 의해 생성 된 전류를 측정함으로써 해결됩니다. 더 많은 분자는 더 많은 전자 흐름과 더 큰 전류를 의미합니다. 이씨는 더 많은 시련을 원합니다. 그러면 진단 나노 기술 혁명이 시작될 수 있습니다.캐서린 샌더슨
감염 차단
노인들은 종종 오래된 고관절을 반짝이는 새로운 티타늄 관절로 대체하기 위해 수술을 받아야합니다. 불행히도 이러한 고관절 임플란트는 그다지 좋지 않습니다. 미국에서 고관절 교체 수술의 15 %는 이미 고관절 교체에 대한 것으로 추정됩니다.
노스 이스턴 대학의 토마스 웹스터 (Thomas Webster)는 나노 크기의 솔루션을 연구하고 있으며 임플란트의 문제를 감지하고 임플란트 부위로 약물을 직접 방출하는 시스템을 개발하고 있습니다. 감염이 발생하면 탄소 및 티타늄 나노 튜브로 만들어진 센서가 박테리아를 감지합니다. 그러면 센서는 전기 신호를 통해 항생제가 저장되는 임플란트의 다른 부분으로이 정보를 전달하여 항생제를 방출하고 통제를 벗어나기 전에 감염을 중단시킵니다.
금속 조각과 같은 이물질이 몸에 들어갈 때 종종 면역계에 의해 발견됩니다. 면역 체계가 발작을 일으켜 관절이 붉어지고 부어 오며 아프게됩니다. 웹스터의 디자인은 또한 활성 면역 세포의 존재를 감지하고 약물로 진정시켜 염증과 싸울 것입니다. 마찬가지로 임플란트 안정성에 매우 중요한 뼈 형성을 촉진 할 수 있습니다.
또한이 모든 것이 관절에서 발생하므로 염증을 막기 위해 구강 항생제 또는 고관절 주사가 필요하지 않으며 부작용이있을 수 있습니다. 웹스터는 자신의 센서가 5 년 안에 병원에있을 것으로 기대하고있다. 메간 컬리
추적 치료
줄기 세포가 일단 체내에 들어가면 어떻게 행동하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만, 의사들은 나노 입자가 예상치 못한 동맹국이라는 사실을 발견했습니다.
인간 지방에서 추출한 줄기 세포는 류마티스 관절염의 영향을받는 무릎을 치료하고, 영향을받는 부위 주변의 면역 체계를 억제하고 손상된 조직의 재생을 도와줍니다. 그러나 줄기 세포가 관절 조직 내부의 깊은 곳에서 활성화되는 것이 중요합니다. 세포에 자성 나노 입자를 태깅함으로써, 자석을 사용하여 몸을 통과하는 경로를 추적하고 위치를 유지하며 심지어 활성화시킬 수 있습니다. Keele University의 재생 의학 교수 인 Alicia El Haj는 설치류에서 성공적인 결과로 이러한 개념을 개발하고 있습니다. 그녀는 현재 자신의 작품을 인간에게 번역하는 일을하고 있습니다.
El Haj는 줄기 세포 (녹색으로 표시됨)에 초상 자성 산화철 나노 입자 (Spions)를 부착하여 수십만 개의 태그가있는 세포를 류마티스 관절염이있는 설치류의 관절에 주입했습니다. MRI 스캔은 라벨이 붙은 세포를 비 침습적으로 추적 할 수 있습니다. El Haj는“자성 나노 입자를 사용하면 이미지와 표적뿐만 아니라 활성화 할 수있다. 다시 말해서, 외부 자기장은 조직 재생을 야기하는 반응을 시작하는 방식으로 입자를 끌어 당기는데 사용될 수있다. 미셸 카탄 차로
세포 제어
황소 정자를 통해 작은 금속 튜브를 섞으면 자기장을 사용하여 난자를 향해 안내 될 수있는 "정자"떼를 얻게됩니다. 독일 드레스덴에있는 통합 나노 과학 연구소 (University of Integrative Nanosciences)의 과학자들은이 정자가 IVF 동안 정자를 난자에게 향하게하여 다산 치료에 사용될 수 있다고 제안했다. 그들은 또한 소량의 약물을 신체의 특정 목표에 전달하도록 적응 될 수 있습니다.
연구원들은 먼저 철과 티타늄 나노 입자로 만든 필름을 제조했다. 이 시트를 말아서 단일 황소 정자와 비슷한 크기의 관형 구조를 만들었습니다. 이 미세 튜브가 황소의 정액에 혼합 될 때마다, 정자 중 하나가 자연적으로 튜브로 헤엄 쳐 내부에 갇히게됩니다. 그러나, 꼬리를 계속 흔들어 코팅을합니다. 또한, 튜브가 강한 자기장에 노출되면 작은 자석으로 바뀌어 북쪽과 남쪽이 확실하게 나타납니다. 그들의 움직임은 어떤 방향으로도 조종 될 수 있습니다.
과학자들은 이미 박테리아를 원격으로 안내하는 시스템을 생산했습니다. 그러나 새로 생성 된 정자에는 두 가지 장점이 있습니다. 첫째, 독성 연료 나 외부 전원이 필요하지 않으며 둘째, 일부 박테리아만큼 잠재적으로 유해하지 않습니다. 미셸 카탄 차로
사라지는 장치
감염 위험이있는 작은 칩이 상처에 주입됩니다. 유해 박테리아를 죽이기 위해 열을 방출 한 다음 사라집니다. Urbana Champaign의 일리노이 대학교 (University of Illinois)의 물리 화학자 존 로저스는 설치류에서이 아이디어에서 영감을 얻은 장치를 성공적으로 테스트했습니다. "이것은 우리가 전기 신호 (electroceuticals)라고 부르는 것의 한 예입니다. 무선 신호의 원격 제어 하에서 신체에서 의료 기능을 수행하는 소형 전자 임플란트입니다." Rogers의 장치는 기능을 수행 한 후 용해되는 이점이 있습니다.
Rogers는 무선 트리거에 반응하여 방출 될 수있는 항생제를 칩에 장착하는 작업도하고 있습니다. 과학자들이 연구하고있는 다른 응용 분야에는 빛으로 뉴런을 제어하기 위해 뇌에 주사 할 수있는 LED 또는 신경과 뼈의 성장을 자극하는 장치가 포함됩니다.
이 기술의 주요 특징은 "일시적"즉 해석 할 수 있다는 것입니다. 이는 머리카락의 너비보다 수천 배나 작은 수십 또는 수백 나노 미터 두께의 표준 전자 재료를 제조함으로써 달성됩니다. "실리콘은 자연적으로 마모되지만 큰 회로에서는 눈에 띄지 않습니다."라고 Rogers는 말합니다. 그러나 실리콘 나노 층은 하루에 1 ~ 3 나노 미터를 잃어 몇 주 안에 사라질 수있다”고 말했다. 남아있는 것은 체액에서 자연적으로 발견되는 규산입니다. 미셸 카탄 차로
바이러스 시각화
"콕 사키 바이러스 (coxsackievirus)"라는 단어는 낄낄 거릴 수 있지만 그 효과는 없을 것입니다. 이 바이러스는 심장, 췌장 또는 뇌 및 척수의 염증 (수막염으로 알려진 상태)을 유발할 수 있습니다. 이 바이러스가 우리 세포에 어떻게 들어가는 지에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만 핀란드 Jyväskylä 대학의 Hannu Häkkinen 연구소가 개발 한 새로운 나노 기술 도구가 도움이 될 수 있습니다.
바이러스만큼 작은 것들을 주시하기는 어렵 기 때문에 어떻게 세포에 들어가서 혼란을 일으키는 지 이해하기가 어렵습니다. Hakkinen과 그의 팀은 금 나노 입자를 사용하여 바이러스를 코팅하여 금 분자를 표면의 단백질에 단단히 부착시켰다. 중요하게도, 이들 나노-변형은 바이러스가 세포를 감염시키고 사멸시키는 능력에 영향을 미치지 않았다. 대신 태그가 지정된 바이러스는 현재 상황을 정확하게 보여줍니다. 이 황금 바이러스는 복제하기 전에 세포에 부착하고, 들어가고, 단백질 코트를 제거하는 바이러스의 전자 현미경으로 유익한 고해상도 스냅 샷을 찍는 데 사용할 수 있습니다.
Hakkinen은“이것은 화학자, 물리학 자 및 바이러스 생물 학자들과 관련된 학제 간 노력으로 우리는 아직 시작 단계에있다. 궁극적으로, 나노 입자는 이러한 종류의 바이러스에 감염된 세포에 약물을 전달하기 위해 황금 트로이 목마처럼 사용될 수있을 것으로 기대됩니다.