La Física en Nanomedicine: Interfaces y Propiedades Mecánicas de Nanomaterials y de Sistemas Biológicos con el AFM

Por Profesor Sonia Contera

Profesor Sonia Contera, Persona Académica de RCUK en la Física Biológica y Nanomedicine, Universidad de Oxford. Autor Correspondiente: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Web site Personal.

Para la última década, los científicos y los representantes técnicos han estado ganando mando cada vez mayor sobre las propiedades de la materia en la escala del nanómetro - midiendo, prediciendo y construyendo nanoparticles y nanostructures. Se han creado las aplicaciones Nuevas que tienen el potencial de transformar todo de la fabricación a la producción energética y del acceso al agua potable; una reducción y una prevención más efectivas de la contaminación; materiales más fuertes, más pálidos, más baratos. Un área donde la nanotecnología podría hacer uno de los impactos más sustanciales es remedio.

¿Por Qué nano en remedio?

Los bloques huecos fundamentales de la vida - DNA, proteínas, lípidos - son sistemas nano-clasificados. En el nivel molecular mucha biología suceso en la nanómetro-escala. La DNA (~ 2nm del diámetro) y las proteínas (típicamente ~ 3 - los diez de nanómetro), son efectivo nanomachines complejos ajustados por la evolución, y su función, sus movimientos, sus mecánicos y sus acciones recíprocas con uno a en salud y la enfermedad se pueden estudiar, y apuntar, con las herramientas de la nanotecnología.

Cuadro 1. comparación de la Talla: nanoparticles y sistemas biológicos

Esta convergencia de la nanotecnología y de la biología ha llevado a la aparición del nanomedicine. Nanomedicine es el uso de la nanotecnología de crear la investigación, la diagnosis y el tratamiento radicalmente mejorados de la enfermedad que puede alcanzar el nivel de la único-molécula. La Nanotecnología está ayudando a crear una revolución, una rotación del paradigma de la manera que tratamos y que diagnosticamos enfermedad; la investigación actual se centra en áreas tales como nuevos sistemas apuntados de la droga-salida, nanomaterials para restablecer tejidos dañados, y dispositivos biosensing extremadamente exactos. Nanomedicine ofrece la esperanza de tratar e.g daños de la médula espinal, la diabetes, la enfermedad cardíaca, la enfermedad de Parkinson y el cáncer.

Multidisiciplinarity del nanomedicine

Nanomedicine se presenta de la convergencia de diversas ciencias en la escala del nanómetro: ciencia material, la física, química, biología, ingeniería, Etc. Esto lleva a los científicos con diversos antecedentes, y a diversas habilidades técnicas e intelectuales, intentando abordar problemas médicos usando la nanotecnología, por ejemplo “cuál es la mejor manera de apuntar un tumor con un nanoparticle?”. El reto del nanomedicine es integrar el conocimiento de químicos, de biólogos y de físicos para alcanzar la respuesta óptima.

Una contribución importante a este campo viene de la física. Los Físicos intentan determinar y cuantificar las acciones recíprocas básicas de nanomaterials con los sistemas biológicos - las fuerzas moleculares que impulsan la acción recíproca (electrostática, van der Waals, fenómenos complejos dinámicos), la termodinámica, el interfaz del nanoparticle con el líquido, el papel de las propiedades mecánicas (rigidez, elasticidad, adherencia). El objetivo es entender los fenómenos básicos de modo que el diseño racional de los nanoparticles para una aplicación médica específica llegue a ser posible.

Desde el punto de vista de un físico, los sistemas biológicos explotan la química física de las biomoléculas nanómetro-clasificadas (proteínas, la DNA…) para crear las estructuras funcionales, dinámicas complejas con las propiedades nanomechanical detalladas (adherencia, rigidez, elasticidad), adaptó interfaces y una organización jerárquica funcional (del nanómetro al micrón a las escalas del milímetro). Los Interfaces y las propiedades mecánicas modulan las estructuras funcionales que activan la función biológica, de la selectividad de un canal de la membrana, al atascamiento de una proteína a la DNA, a la división celular y morfogénesis y la organización de tejidos y de órganos. Todas estas funciones son alteradas por enfermedad o trauma.

Además, los sistemas biológicos tales como proteínas y la DNA crearán interfaces con los líquidos circundantes que regularán sus acciones recíprocas con nanomaterials; las células reaccionarán a los nanomaterials artificiales con acciones recíprocas en sus interfaces que sean modulados por las propiedades mecánicas (e.g adherencia, elasticidad) de la célula y del material, como células reaccionan dinámicamente a la substancia química, así como a las señales de entrada mecánicas (mechanotransduction). Entendiendo estos complejos, las estructuras dinámicas y las propiedades físicas son uno de los retos principales de la ciencia moderna y constituyen los antecedentes científicos al nanomedicine, a los biomateriales y a los sistemas modernos de bioinspired/biomimetic.

Parámetros y conceptos físicos Dominantes:

  • interfaces
  • fuerzas moleculares
  • propiedades mecánicas (adherencia, elasticidad)
  • dinámica
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Medición Cuantitativa

Hay poco conocimiento científico cuantitativo de los procesos básicos que regulan el nanomaterial/las acciones recíprocas medianas biológicas. Con técnicas actualmente disponibles, es muy desafiador obtener la información cuantitativa necesaria de todos los parámetros relevantes, la resolución de nanómetro y sub-nanómetro de estructuras y su dinámica en líquidos fisiológicos, a la correspondencia de propiedades mecánicas de células, las biomoléculas y los nanomaterials en la escala del nanómetro, y las propiedades de los interfaces que los materiales biológicos y nanostructured complejos establecen con los líquidos biológicos.

Nuestro trabajo

El Cuadro 2. aplicaciones AFM de Sonia Contera basó las técnicas para la medición cuantitativa de propiedades mecánicas y los interfaces de sistemas biológicos en condiciones fisiológicas
En los años últimos hemos desarrollado las técnicas basadas en el microscopio atómico de la fuerza (AFM) que nos han permitido medir cuantitativo los interfaces de moléculas y de estructuras biológicas con los líquidos fisiológicos.

Usando el AFM con un método nuevo de la pequeño-amplitud en el cual un microcantilever se oscila apenas con amplitud del ~ 1 Å en el interfaz de la superficie y del líquido, hemos podido medir la energía de la adherencia del sólido-líquido con la resolución sub-nanómetro 1. Usando esta técnica cuantificamos la electrostática compleja de los efectos iónicos de medición de las proteínas de la membrana (bacteriorhodopsin, una bomba activada luz clasificada nanómetro del protón 3) sobre la estructura del agua en el interfaz 2. Usando la punta del AFM como nanoindenter muy exacto hemos cuantificado la rigidez de una única proteína de la membrana 3. Además hemos podido mostrar que la elasticidad de una proteína de la membrana está relacionada con sus propiedades del interfaz 2. Usando una técnica de alta velocidad del AFM (desarrollada por el ando y los colegas de Toshio en la Universidad de Kanazawa) esa resolución de sub-nanómetro de las cosechadoras con acelera a 50 frames/s, hemos estudiado la dinámica del bacteriorhodopsin durante el bombeo de proteínas 4, 5 y hemos mostrado cómo la función de la proteína dentro de la membrana implica el acoplamiento con las proteínas vecinas 5. Hemos aumentado la resolución del AFM en la solución de resolver los únicos átomos en la solución 1, un ión que ataba a una proteína de la membrana y hemos podido resolver la DNA de doble hélice. Más recientemente, usando el AFM de múltiples frecuencias avanzado hemos podido correlacionar cuantitativo las propiedades nanomechanical de células vivas con velocidad y exactitud sin precedentes 6; esto permitirá estudiar los mecanismos fundamentales que determinan la reacción nanomechanical de la célula en diversos contextos. Hemos mostrado que la importancia de estas propiedades para la acción recíproca de biomoléculas y las células con las superficies y nosotros han mostrado que los interfaces, las dinámicas y las propiedades mecánicas están correlacionados de hecho 2.

Aplicación de la física básica al nanomedicine

Estamos explotando Actualmente este conocimiento y técnicas para diseñar los nanostructures (sistemas nanostructure-basados de la droga-salida, y los nanocomposites para la regeneración del tejido) que activan selectividad y biocompatibility por los interfaces que controlan y las propiedades mecánicas.

  1. Se ha mostrado que los mecánicos importan en cáncer: por ejemplo los nanoparticles pueden alcanzar tumores usando las propiedades mecánicas diferenciadas de los vasos sanguíneos circundantes (el supuesto efecto del EPR 7). Nuestro objetivo es diseñar los nanoparticles que no sólo tienen la química correcta pero también las propiedades mecánicas correctas, usando nuestra capacidad de cuantificar propiedades mecánicas en la nanómetro-escala.
  2. Hay un interés cada vez mayor al usar la nanotecnología en bio aplicaciones de los materiales tales como implantes para reparar el tejido del hueso. Los nanomaterials y los nanocomposites de Bioinspired pueden ascender el curar y regeneración del tejido porque pueden ser utilizados para proporcionar a buen corresponder con estructural y mecánico al del tejido real, pueden proporcionar a la conductividad eléctrica del nanoscale (importante en tejidos e.g del corazón y de la médula espinal), mejorar el adhesivo y el micrófono del implante/el nanoenvironment- que define mitades, y mejorar la capacidad de células uno mismo-de ensamblar en los tejidos 3D.

Cuadro 3. imagen de SEM de un andamio 3D creado usando un nanocomposite de los nanotubes del kitosán y del carbón, por L Bugnicourt, S. Trigueros y S Contera, inédito.

Estamos determinado interesados en nanotubes del carbón. Por ejemplo, los nanotubes del carbón muestran el comportamiento viscoelástico similar a ése observado en membranas de tejido blando, así que pueden ser utilizados para aumentar el módulo y la resistencia a la tensión De Young de biomateriales híbridos.

Los nanotubes del Carbón se han mostrado para utilizar el cultivo de neuronas. La Conjugación de estos nanotubes a diversos substratos puede afectar a comportamiento de la célula y ascender la supervivencia del accesorio, del incremento, de la diferenciación y del largo plazo de neuronas, pues las neuronas parecen necesitar un nanostructure conductor poder sobrevivir. A Pesar De las ventajas de los nanotubes del carbón han mostrado algunas ediciones del biocompatibility. Estamos desarrollando las estrategias para crear redes del nanocomposite de los nanotubes y de los biopolímeros del carbón, con las propiedades estructurales y mecánicas controladas. Podríamos asegurarnos de que los nanocomposites sean biocompatibles y eléctricamente active usando las propiedades del uno mismo-ensamblaje y el biocompatibility e.g del kitosán. 8


Referencias

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, correspondencia Direct de la energía de la adherencia del sólido-líquido con la resolución del subnanometre. Nanotecnología de la Naturaleza, 2010. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky, y J.F. Ryan, condensación iónica Controlada en la superficie de una membrana extremophile nativa. Nanoscale, 2010. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, y otros (2007). “Las acciones recíprocas Electroestáticas y estéricas determinan la biomecánica de la único-molécula del bacteriorhodopsin.” Gorrón Biofísico 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, y otros (2009). “Dinámicas del 2.o cristal del bacteriorhodopsin observado por microscopia atómica de alta velocidad de la fuerza.” Gorrón de la Biología Estructural 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, y otros (2009). “Acoplamiento Lateral y dinámicas cooperativas en la función del bacteriorhodopsin nativo de la proteína de la membrana.” Materia Suave 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, y otros (2011). “Correlacionando las propiedades nanomechanical de células vivas usando microscopia atómica multi-armónica de la fuerza.” Nanotecnología de la Naturaleza 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. y H. Maeda (1986). “Un nuevo concepto para la terapéutica macromolecular en quimioterapia del cáncer: mecanismo de la acumulación tumoritropic de proteínas y de los smancs antitumores del agente.” Cáncer Res 46 (12 Pintas 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera “Que Dirige Biocompatibility y a la Asamblea en los Electrodos de Nanotube del Carbón Usando las Propiedades Fisicoquímicas Dispositivos De Estado Sólido y Materiales 2011, procedimientos, No. 5372 del Kitosán”.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:51

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