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医療におけるナノテクノロジー:巨大な可能性、しかしリスクは何ですか?

ナノテクノロジーは、著しくvariedand新しい特性を有する材料を作成するために、原子・分子スケールでの物質の操作は、医療toconstructionとエレクトロニクスに至るまで、多くの分野で大きな可能性を秘めた研究の急速に拡大した領域です。医学では、薬物送達、遺伝子治療、診断、および研究、開発および臨床応用の多くの分野に革命を起こすことが約束されている。

この記事では、全分野をカバーするつもりはありませんが、いくつかの例を挙げて、ホーナノテクノロジーに関するいくつかの洞察は、研究室と臨床の両方で医学を変える可能性を秘めています。レイズ。

ナノテクノロジーとは何ですか?

接頭辞「ナノ」は、古代ギリシア語の「矮星」に由来します。科学では10億分の1から10億分の1を意味するので、1ナノメートル(nm)は10億分の1メートル(0.000000001メートル)です。ナノメートルは、人間の髪の毛の厚さより約40,000倍小さい、約3〜5原子幅である。ウイルスは、典型的には100nmの大きさである。

医学のナノスケールで構造や性質を操作する能力は、微小なツール、ロボット、チューブなどを使って、細胞成分、ウイルス、またはDNAの断片を扱うことができる顕微鏡下の実験台のようなものです。

グラファイト球の分子モデルを保持している科学者の手

DNAを操作する

個々の遺伝子の操作またはそれらの発現に影響を及ぼす分子経路を含む治療法は、疾患を治療する選択肢としてますます研究されている。この分野で非常に求められている目標の1つは、個々の患者の遺伝的構成に応じて、致死的処置に対する能力である。

これは、科学者がそのような治療法を実験し開発するのを助けるツールの必要性を生む。

たとえば、スパゲッティのようなDNAの部分を伸ばすことができるので、それを調べたり、操作したり、細胞の内部を歩いて修復を行うことができるナノロボを構築することができます。ナノテクノロジーは、その科学技術を現実に近づけています。

例えば、オーストラリア国立大学の科学者は、修飾されたDNAの末端にコートされたラテックスビーズを付着させ、ビーズを適所に保持するための集束ビームを含む「光学トラップ」を用いて、DNA鎖を伸ばした特異的結合タンパク質の相互作用を研究することができる。

ナノボットとナノスター

一方、ニューヨーク大学(NYU)の化学者は、わずか10nmの長さの2つの足で歩くDNA断片からナノスケールのロボットを作り出しました。 Nano Letters誌に掲載された2004年の論文では、足の端にソラレン分子が付着した「ナノウォーカー」がどのようにして最初の赤ちゃんの歩みを取りますか?

研究者の一人であるNed Seeman氏は、分子スケールの生産ラインを作ることが可能であると考えています。そこでは、正しい位置に到達するまで分子を移動させ、ナノボットは「スポット」 acarの組立ラインには「溶接」があります。 SeemanのNYUの研究室では、DNAナノテクノロジーを使ってバイオチップコンピュータを製作し、生物学的分子が結晶化していることを知りたいと考えています。

セマン氏や同僚たちが行っている研究は、ナノテクノロジーを用いて、DNAの挙動などの自然界の生物学的プロセスを模倣し、新しい方法を工夫し、おそらくは改善する「バイオミメティクス」の良い例です。

DNAベースのナノボットもまた、癌細胞を標的とするために作製されている。例えば、米国のハーバード大学医学部の研究者は最近、サイエンスで、分子ペイロードを輸送するためにDNAから「折り紙ナノロボ」を作り出したことを報告しました。樽型のナノボットは、細胞を特定の様式で動作させる指示を含む分子を運ぶことができる。彼らの研究では、チームは、白血病およびリンパ腫細胞において細胞自殺を引き起こす分子がどのように送達されるかを成功裏に実証している。

他の材料で作られたナノボットも開発中です。例えば、金は、ノースウェスタン大学で材料科学者が「nanostars」、癌細胞の核に直接薬物を送達することができ、簡単な、専門の、星型ナノ粒子を作るために使用されます。 ACS Nanoジャーナルの論文では、ヒトの子宮頸癌細胞と卵巣癌細胞の表面上に過剰発現したタンパク質に引き付けられた後、それらの細胞の核にペイロードを置くという、小型のヒッチハイカーのような薬物担持ナノスターの挙動を説明している。

研究者らは、ナノボットに星の形状を与えて、薬物を送達するためのナノ粒子を使用するという課題の1つ、すなわち薬物をいかに正確に放出するかを克服することを助けたことを発見した。彼らは、形状が星のポイントでドラッグを正確に放出するために使用される光パルスを集中させるのに役立つと言う。

薬物を現場に届けるナノファクター

科学者は、特定のシグナルを細胞に伝えるようにプログラムできるので、タンパク質ベースの薬物が非常に有用であることを発見しています。しかし、このような薬剤の従来の送達での問題は、身体がそれらの目的地に到達する前に体の大部分を破壊することである。

しかし、その場で、その場でそのような薬物を産生することが可能であればどうでしょうか?まあ、最近のNanoLetters号では、米国のマサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者が、それをどうやってできるかを示しています。原則的な研究の証拠として、必要に応じて標的部位にタンパク質化合物を作る自己組織化「ナノファクター」の実現可能性を実証しています。 これまで、彼らは、緑色蛍光タンパク質(GFP)またはUV光に曝露されたルシフェラーゼのいずれかを産生するようにプログラムされたナノ粒子を作製することによって、マウスでこのアイデアを試験した。

MITチームは、元のサイトから身体の他の部分に移行したがん細胞から増殖する転移性腫瘍を攻撃する方法を見つけようとしながら、このアイデアを思いつきました。がんの死亡の90%以上は転移がんによるものです。彼らは現在、潜在的ながん剤を合成することができるナノ粒子に取り組んでいます。

ナノテク研究室で光学機器を扱う研究員。

ナノファイバー

ナノファイバーは、直径が1000nm未満の繊維である。医療用途には、創傷被覆材および外科用テキスタイル用の特殊材料、インプラントに使用される材料、組織工学および人工器官コンポーネントが含まれる。

炭素でできたナノファイバーは、医療イメージングと正確な科学的測定ツールにも有望です。しかし、克服すべき大きなチャレンジャーがあります。その一つは、正しいサイズのものを一貫して作る方法です。歴史的に、これはコストがかかり、時間がかかりました。

しかし、昨年、ノースカロライナ州立大学の研究者らは、特定のサイズのカーボンナノファイバーを製造する新しい方法をどのように開発したかを明らかにした。 2011年3月にACS Applied Materials&Interfacesに書いたのは、リガンドで作られたシェルで被覆されたニッケルナノ粒子、金属に直接結合する機能性部分を持つ有機小分子を使って、直径が均一なカーボンナノファイバーをどのように成長させたかを記述しています。

高温ではカーボンナノファイバーの成長を助けるので、ニッケルナノ粒子は特に興味深い。ナノファイバーが成長した場所と、ナノ粒子を正確に配置することによってナノファイバーを所望の特定のパターンで成長させることができるということを研究者は見いだした。これは有用なナノスケール材料の重要な特徴である。

リードは、ナノファイバーとしての用途を見いだしている別の物質であり、セントルイスのワシントン大学医学部で勉強している神経外科医のマシュー・マクワンは、使用される外科用メッシュのリハビリを目的としたナノメディシン会社を立ち上げました世界中の劇場を運営しています。

このリード製品は、ナノファイバーの個々の鎖を含む合成ポリマーであり、脳および脊髄損傷を修復するために開発されたが、ヘルニア、フィステルおよび他の損傷を修復するために使用することもできるとMacEwanは考える。

現在、脳および脊髄を覆う保護膜を修復するために使用される外科用メッシュは、取り扱いが困難な厚くて剛性の材料で作られている。ナノファイバーメッシュのメッシュは、より薄く、柔軟性があり、身体の組織と一体化する可能性が高いとMacEwanは述べています。ナノファイバーメッシュのすべてのスレッドは、単一のセルの直径の何千倍も小さいです。考え方は、ナノファイバー材料を使用して外科医が手術を容易にするだけでなく、患者のための術後合併症が少なく、それは時間が経つと自然に崩壊するからです。

ニューヨーク大学Polytechnic Institute(NYU-Poly)の研究者は、最近、タンパク質からのマカノファイバーの新しい方法を実証しました。研究者らは、最近、高機能化学物質誌に執筆しているが、軟骨由来の特定の円柱状タンパク質を研究していた。高濃度でそれを知り、自発的にタンパク質の一部が自己集合した強心剤。

彼らは、金属認識アミノ酸や異なる金属の添加などのさらなる実験を行い、繊維形成を制御し、その形状を変え、それが小分子に結合する方法を知ることができることを見出した。例えば、ニッケルを添加すると、付着した薬物分子の放出を誘発するために使用することができる凝集したマットに繊維が変換された。

研究者らは、この新しい方法ががん、心臓疾患およびアルツハイマー病を治療するための薬剤の送達を大幅に改善することを望んでいる。彼らはまた、人間の組織、骨および軟骨の再生におけるアプリケーションを見ることができ、コンピュータおよび家庭用電化製品で使用するための、よりスムーズで強力なマイクロプロセッサを開発する方法さえある。

分子
癌を治療するためにナノ粒子または他の癌薬物がどのように使用され得るかを示す模式図。この図は、ナノサイエンスとナノテクノロジーのOpensource Handbook

ナノマテリアルを取り巻く未来と懸念事項は何ですか?

近年、ナノテクノロジーとナノ物質の医療応用の多様性を示す研究の数が爆発的に増加しています。この記事では、この広大な分野の小さな断面を少し見てきました。しかし、その範囲を越えて、魅力的な課題があります。その最大の課題は、材料やツールの生産をどのようにスケールアップするか、そしてコストとタイムスケールをどのようにするかということです。

しかし、もう1つの課題は、急速に拡大しているこの技術が安全であるという公衆の信頼をいかに素早く確保するかです。そして今のところ、それが完了しているかどうかは不明です。

ナノテクノロジーに関する懸念が過度に強調されているかもしれない人がいる。彼らは、物質がナノサイズであるという理由だけで、それが危険であるということを意味するものではないという事実を指摘しています。例えば、地球が生まれて以来、ナノ粒子は火山灰と海スプレーに自然発生しています。人間の活動の副産物として、彼らは煙と煤の中に石器時代のように存在しています。

米国国立癌研究所は、ナノ物質の安全性を調べる試みの中で、環境中に自然に存在するようなマンナナーゼ粒子が存在し、「評価される人工粒子よりも桁違いに高いレベルにあることが多い」と述べている。 多くの点で、彼らは、「ほとんどの人工ナノ粒子は、家庭用ペット製品、家庭用ペットに使用されている殺虫剤、市販のフケ対策よりも毒性がはるかに低い」と指摘している。例えば、癌治療における化学療法剤、彼らは彼らが運ぶ薬よりもはるかに毒性が低いです。

食品分野では、商業レベルでナノマテリアルの最大の拡大を見たことがあります。ナノマテリアルを含む食品の数は依然として少ないにもかかわらず、技術が発展するにつれて今後数年間に変化すると思われます。ナノ物質は、味を変えずに脂肪や砂糖のレベルを下げるため、または食品をより長く新鮮に保つために包装を改善するため、あるいは食品が腐敗しているかどうかを消費者に伝えるために既に使用されています。彼らはまた、栄養素の生物活性を高めるためにも使用されています(例えば、食品サプリメントなど)。

しかし、研究のペースが加速し、ナノ材料の市場が広がっているにもかかわらず、その毒性学的影響を発見するのに十分ではないように思われる関係者もいる。

これは英国議会下院の科学技術委員会の見解であり、ナノテクノロジーと食品に関する最近の報告では、ナノ物質とヒトの健康、とりわけ取り込まれたナノ物質のリスクについての懸念が高まっている。

例えば、委員会に関わる分野の1つは、ナノ粒子のサイズと例外的な移動性です。摂取すれば、腸の内膜の細胞膜に十分に浸透し、脳やその他の体の部分にアクセスする可能性があります、そして細胞の核内でさえも。

もう一つは、ナノ材料の溶解性と持続性です。例えば、不溶性ナノ粒子はどうなるでしょうか?彼らが分解され消化されたり、分解されたりすることができない場合、蓄積して臓器を損傷する危険性がありますか?無機金属酸化物と金属を含むナノマテリアルは、この分野で最も危険性の高いものと考えられている。

また、ナノ粒子は、高い表面積対質量比のために非常に反応性が高く、例えば、未だ知られていない化学反応として誘発することができ、毒素と結合することにより、

例えば、表面積、反応性および電荷が大きいナノ物質は、物理的力による「粒子凝集」および化学的力による「粒子凝集」の条件を作り出し、個々のナノ粒子が一緒になって大きな粒子を形成する。これは、例えば、塊状の内部の細胞のような劇的に大きな粒子につながるだけでなく、その物理化学的特性および化学的反応性を根本的に変える可能性のあるナノ粒子の凝集塊の脱凝集をもたらす可能性がある。

このような可逆現象は、ナノマテリアルの行動や毒物学を理解するのが難しいことを意味すると、委員会は述べています。委員会は、政府と研究評議会のどちらも、ナノテクノロジーの安全性の研究には特に優先していません。ナノマテリアルが開発される可能性があります。

彼らは、規制当局が市場に出る前に製品の安全性を効果的に評価できるようにするために、はるかに多くの研究が必要であると勧告している。

したがって、実際に、あるいは認識されていても、ナノテクノロジーが人の健康に及ぼす潜在的リスクを調査し、調査する必要があるように見えるであろう。 NCIが示唆しているように、ほとんどのナノマテリアルは無害であると思われます。

しかし、技術が急速に進歩すると、安全についての知識とコミュニケーションは、特に公衆の信頼を確保することである場合には、それが利益を上げるためのペースを保つ必要があります。私たちは、何が起こったのかを見なければならず、ある程度までは、遺伝的に改変された食糧を使って、それがどうやって間違っているのかを見ることができます。

キャサリンパドック博士が執筆

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