Physique dans Nanomedicine : Surfaces Adjacentes et Propriétés Mécaniques des Nanomaterials et des Systèmes Biologiques avec l'AFM

Par Professeur Sonia Contera

Professeur Sonia Contera, Camarade Scolaire de RCUK dans la Physique Biologique et Nanomedicine, Université d'Oxford. Auteur Correspondant : s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Site Web Personnel.

Pour la décennie passée, les scientifiques et les ingénieurs avaient gagné le contrôle croissant des propriétés de la substance à l'échelle de nanomètre - mesurant, prévoyant et construisant des nanoparticles et des nanostructures. On a produit des applications Nouvelles qui ont le potentiel de transformer tout de la fabrication à la production d'énergie et à l'accès à l'eau propre ; une réduction et une prévention plus pertinentes de pollution ; des matériaux plus intenses, plus légers, meilleur marché. Une zone où la nanotechnologie pourrait effectuer un des incidences les plus substantielles est médicament.

Pourquoi nano en médicament ?

Les synthons principaux de durée de vie - ADN, protéines, lipides - sont les systèmes de taille d'une nano. Au niveau moléculaire beaucoup de biologie se produit à la nanomètre-échelle. ADN (~ 2nm de diamètre) et protéines (type ~ 3 - des dizaines de nanomètre), sont effectivement des nanomachines complexes réglés avec précision par évolution, et leur fonctionnement, leurs mouvements, leur mécanique et leurs interactions les uns avec les autres dans la santé et maladie peuvent être étudiés, et visés, avec des outils de nanotechnologie.

Le Schéma 1. comparaison de Taille : nanoparticles et systèmes biologiques

Cette convergence de nanotechnologie et de biologie a mené à l'émergence du nanomedicine. Nanomedicine est l'utilisation de la nanotechnologie de produire la recherche, le diagnostic et la demande de règlement radicalement améliorés de la maladie qui peut atteindre le niveau d'unique-molécule. La Nanotechnologie aide à produire un tour, une variation de paradigme dans la voie que nous traitons et diagnostiquons la maladie ; la recherche actuelle se concentre sur des zones telles que les systèmes visés neufs de médicament-accouchement, les nanomaterials pour restaurer les tissus abîmés, et les dispositifs biosensing extrêmement précis. Nanomedicine offre l'espoir pour traiter par exemple les lésions de la moelle épinière, le diabète, la cardiopathie, la Maladie de Parkinson et le cancer.

Multidisiciplinarity de nanomedicine

Nanomedicine résulte de la convergence des différentes sciences à l'échelle de nanomètre : science des matériaux, physique, chimie, biologie, bureau d'études, Etc. Ceci mène aux scientifiques avec différents milieux, et aux différentes qualifications techniques et intellectuelles, essayant d'aborder des problèmes médicaux utilisant la nanotechnologie, comme « ce qui est la meilleure voie de viser une tumeur avec un nanoparticle ? ». Le défi du nanomedicine est d'intégrer la connaissance des pharmaciens, des biologistes et des physiciens pour atteindre la réponse optimale.

Une cotisation importante à cette zone vient de la physique. Les Physiciens essayent de recenser et mesurer les interactions de base des nanomaterials avec des systèmes biologiques - les forces moléculaires qui pilotent l'interaction (électrostatique, van der Waals, phénomènes complexes dynamiques), la thermodynamique, la surface adjacente du nanoparticle avec le liquide, le rôle des propriétés mécaniques (raideur, élasticité, adhérence). L'objectif est de comprendre les phénomènes de base de sorte que le design rationnel des nanoparticles pour une application médicale particulière devienne possible.

Du point de vue d'un physicien, les systèmes biologiques exploitent la physico-chimie des biomolécules de taille d'un nanomètre (protéines, l'ADN…) pour produire les structures fonctionnelles et dynamiques complexes avec les propriétés nanomechanical détaillées (adhérence, raideur, élasticité), a réglé des surfaces adjacentes et un organisme hiérarchique fonctionnel (du nanomètre au micron aux échelles de millimètre). Les Surfaces Adjacentes et les propriétés mécaniques modulent les architectures fonctionnelles qui activent le rôle biologique, de la sélectivité d'un tunnel de membrane, au grippement d'une protéine à l'ADN, à la division cellulaire et la morphogénèse et l'organisme des tissus et des organes. Tous ces fonctionnements sont modifiés par la maladie ou traumatisme.

Supplémentaire, les systèmes biologiques tels que des protéines et l'ADN produiront des surfaces adjacentes avec des liquide environnants qui régiront leurs interactions avec des nanomaterials ; les cellules réagiront aux nanomaterials fabriqués par l'homme par des interactions à leurs surfaces adjacentes qui seront modulées par les propriétés mécaniques (par exemple adhérence, élasticité) de la cellule et du matériau, comme cellules réagissent dynamiquement au produit chimique, ainsi qu'aux caractères indicateurs mécaniques (mechanotransduction). Comprenant ces complexes, les structures dynamiques et les propriétés physiques est l'un des défis principaux de la science moderne et constitue le mouvement propre scientifique au nanomedicine, aux biomatériaux et aux systèmes modernes de bioinspired/biomimetic.

Paramètres et concepts matériels Principaux :

  • surfaces adjacentes
  • forces moléculaires
  • propriétés mécaniques (adhérence, élasticité)
  • dynamique
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Mesure Quantitative

Il y a peu de connaissance scientifique quantitative des opérations de base qui régissent le nanomaterial/interactions moyennes biologiques. Avec des techniques actuellement disponibles, il est très provocant pour obtenir l'information quantitative nécessaire de tous les paramètres appropriés, la définition de nanomètre et sous-nanomètre des structures et leur dynamique en liquide physiologiques, à la cartographie des propriétés mécaniques des cellules, les biomolécules et les nanomaterials à l'échelle de nanomètre, et les propriétés des surfaces adjacentes que les matériaux biologiques et nanostructured complexes déterminent avec des fluides biologiques.

Notre travail

Le Schéma 2. techniques basées d'AFM d'utilisations de Sonia Contera pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques et les surfaces adjacentes des systèmes biologiques en conditions physiologiques
Pendant les dernières années nous avons développé les techniques basées sur le microscope atomique de force (AFM) qui nous ont permises de mesurer quantitativement les surfaces adjacentes des molécules et des structures biologiques avec des liquide physiologiques.

Utilisant l'AFM avec une méthode nouvelle de petit-amplitude dans laquelle un microcantilever est oscillé juste avec l'amplitude du ~ 1 Å à la surface adjacente de la surface et du liquide, nous avons pu mesurer l'énergie d'adhérence de solide-liquide avec la définition sous-nanomètre 1. Utilisant cette technique nous avons mesuré l'électrostatique complexe des effets ioniques de mesure de protéines de membrane (bacteriorhodopsin, une pompe de proton 3 lancée par lumière classée par nanomètre) sur la structure de l'eau à la surface adjacente 2. Utilisant l'extrémité d'AFM comme nanoindenter très précis nous avons mesuré la raideur d'une protéine unique de membrane 3. En Outre nous avons pu prouver que l'élasticité d'une protéine de membrane est liée à ses propriétés de surface adjacente 2. Utilisant une technique d'AFM de haute vitesse (développée par ando et collègues de Toshio à l'Université de Kanazawa) cette définition de sous-nanomètre de cartels avec accélère à 50 frames/s, nous avons étudié la dynamique du bacteriorhodopsin pendant le pompage des protéines 4, 5 et avons affiché comment le fonctionnement de protéine dans la membrane concerne le couplage des protéines voisines 5. Nous avons augmenté la définition de l'AFM en solution de résoudre des atomes uniques en solution 1, un ion grippant à une protéine de membrane et avons pu résoudre le double-hélix d'ADN. Plus récent, utilisant l'AFM multifréquence de pointe nous avons pu tracer quantitativement les propriétés nanomechanical des cellules vivantes avec la vitesse et l'exactitude sans précédent 6; ceci permettra pour étudier les mécanismes principaux qui déterminent la réaction nanomechanical de cellules dans différents contextes. Nous avons affiché que la pertinence de ces propriétés pour l'interaction des biomolécules et les cellules avec des surfaces et nous ont prouvé que des surfaces adjacentes, la dynamique et les propriétés mécaniques sont en effet mises en corrélation 2.

Application de la physique de base au nanomedicine

Actuel nous exploitons la ces connaissance et techniques pour concevoir les nanostructures (systèmes nanostructure-basés de médicament-accouchement, et les nanocomposites pour la régénération de tissu) qui activent la sélectivité et le biocompatibility par des surfaces adjacentes de réglage et des propriétés mécaniques.

  1. On lui a affiché que la mécanique importe dans le cancer : par exemple les nanoparticles peuvent atteindre des tumeurs utilisant les propriétés mécaniques différentielles des vaisseaux sanguins environnants (le soi-disant effet de TAUX DE PRESSION MOTEUR 7). Notre objectif est de concevoir les nanoparticles qui ont non seulement la bonne chimie mais également les bonnes propriétés mécaniques, utilisant notre capacité de mesurer les propriétés mécaniques à la nanomètre-échelle.
  2. Il y a un intérêt croissant en employant la nanotechnologie dans de bio applications de matériaux telles que des implants pour réparer le tissu osseux. Les nanomaterials et les nanocomposites de Bioinspired peuvent s'introduire guérir et régénération de tissu parce qu'ils peuvent être employés pour fournir bon apparier structurel et mécanique à cela du tissu réel, peuvent fournir la conductivité électrique de nanoscale (importante en tissus par exemple de coeur et de moelle épinière), améliorer l'adhésif et le micro d'implant/nanoenvironment- définissant des parties, et améliorer la capacité des cellules auto-d'assembler en tissus 3D.

Le Schéma 3. image de SEM d'un échafaudage 3D produit utilisant un nanocomposite des nanotubes de chitosan et de carbone, par L Bugnicourt, S. Trigueros et S Contera, non publié.

Nous sommes particulièrement intéressés par des nanotubes de carbone. Par exemple, les nanotubes de carbone affichent le comportement visco-élastique assimilé à cela observé dans des membranes de tissu mou, ainsi ils peuvent être employés pour augmenter le module et la résistance à la traction De Young des biomatériaux hybrides.

Des nanotubes de Carbone ont été affichés pour supporter la culture des neurones. La Conjugaison de ces nanotubes à différents substrats peut affecter le comportement de cellules et introduire la connexion, l'accroissement, la différenciation et la survie à long terme des neurones, car les neurones semblent avoir besoin d'un nanostructure conducteur pour pouvoir survivre. En Dépit des avantages des nanotubes de carbone ils ont affiché quelques délivrances de biocompatibility. Nous développons des stratégies pour produire des réseaux de nanocomposite des nanotubes et des biopolymères de carbone, avec les propriétés structurelles et mécaniques réglées. Nous pourrions nous assurer que les nanocomposites sont biocompatibles et électriquement en activité à l'aide des propriétés et du biocompatibility en kit par exemple du chitosan. 8


Références

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, mappage Direct de l'énergie d'adhérence de solide-liquide avec la définition de subnanometre. Nanotechnologie de Nature, 2010. 5(6) : p. 401-405.
  2. Contera*, SA, K. Voitchovsky, et J.F. Ryan, condensation ionique Réglée sur la surface d'une membrane extremophile indigène. Nanoscale, 2010. 2(2) : p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et autres (2007). « Les interactions Électrostatiques et stériques déterminent la biomécanique d'unique-molécule de bacteriorhodopsin. » Tourillon Biophysique 93(6) : 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, et autres (2009). « Dynamique cristal de bacteriorhodopsin du 2D observé par microscopie atomique ultra-rapide de force. » Tourillon de la Biologie Structurelle 167(2) : 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et autres (2009). « Couplage Transversal et dynamique coopérative dans le fonctionnement du bacteriorhodopsin indigène de protéine de membrane. » Substance Molle 5(24) : 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, et autres (2011). « Traçant les propriétés nanomechanical des cellules sous tension utilisant la microscopie atomique multi-harmonique de force. » Nanotechnologie de Nature 6(12) : 809-814.
  7. Matsumura, Y. et H. Maeda (1986). « Un concept neuf pour la thérapeutique macromoléculaire en chimiothérapie anticancéreuse : mécanisme de l'accumulation tumoritropic de protéines et des smancs antitumoraux d'agent. » Recherche de Cancer 46 (12 Pintes 1) : 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera « Concevant Biocompatibility et Assemblée dans des Électrodes de Nanotube de Carbone Utilisant les Propriétés Physico-chimiques Dispositifs Semi-conducteurs et Matériaux 2011, démarches, Numéro 5372 de Chitosan ».
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:18

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