Fisica in Nanomedicine: Interfacce e Beni Meccanici dei Nanomaterials e dei Sistemi Biologici con il AFM

Dal Professor Sonia Contera

Il Professor Sonia Contera, Collega Accademico di RCUK nella Fisica Biologica e Nanomedicine, Università di Oxford. Autore Corrispondente: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Sito Web Personale.

Per la decade passata, gli scienziati e gli ingegneri stanno guadagnando il controllo aumentante sopra i beni della materia al disgaggio di nanometro - misurando, predicendo e costruendo le nanoparticelle e i nanostructures. Le applicazioni Novelle sono state create che hanno il potenziale di trasformare tutto da fabbricazione a produzione di energia e ad accesso ad acqua pulita; riduzione dell'inquinamento e prevenzione più efficaci; più forti, materiali più leggeri e più economici. Un'area dove la nanotecnologia potrebbe fare uno degli impatti più sostanziali è medicina.

Perché nano nella medicina?

Le particelle elementari fondamentali di DNA vita, le proteine, lipidi - sono i sistemi nano di taglia. Al livello molecolare molta biologia accade al nanometro-disgaggio. Il DNA (~ 2nm del diametro) e le proteine (tipicamente ~ 3 - dieci di nanometro), sono nanomachines efficacemente complessi regolati da evoluzione e la loro funzione, i loro movimenti, i loro meccanici e le loro interazioni a vicenda nella salubrità e la malattia possono essere studiati ed essere mirati a, con gli strumenti di nanotecnologia.

Figura 1. confronto di Dimensione: nanoparticelle e sistemi biologici

Questa convergenza di nanotecnologia e di biologia piombo all'emergenza del nanomedicine. Nanomedicine è l'uso di nanotecnologia creare la ricerca, la diagnosi ed il trattamento radicalmente migliori della malattia che può raggiungere il livello della unico molecola. La Nanotecnologia sta contribuendo a creare un giro di motore, una variazione di paradigma nel modo che trattiamo e che diagnostichiamo la malattia; la ricerca corrente mette a fuoco sulle aree quali i nuovi sistemi mirati a della droga consegna, i nanomaterials per ripristinare i tessuti nocivi e le unità biosensing estremamente accurate. Nanomedicine offre la speranza per il trattamento per esempio le ferite, il diabete, la malattia di cuore, la Malattia del Parkinson e del cancro del midollo spinale.

Multidisiciplinarity del nanomedicine

Nanomedicine risulta dalla convergenza delle scienze differenti al disgaggio di nanometro: scienza dei materiali, fisica, chimica, biologia, assistenza tecnica, Ecc. Ciò piombo agli scienziati con differenti ambiti di provenienza ed alle abilità tecniche ed intellettuali differenti, provanti ad affrontare i problemi di salute facendo uso di nanotecnologia, come “che cosa è il migliore modo mirare ad un tumore con una nanoparticella?„. La sfida del nanomedicine è di integrare la conoscenza dei chimici, dei biologi e dei fisici per raggiungere la risposta ottimale.

Un contributo importante a questo campo viene da fisica. I Fisici provano ad identificare e quantificare le interazioni di base dei nanomaterials con i sistemi biologici - le forze molecolari che determinano l'interazione (elettrostatica, van der Waals, fenomeni complessi dinamici), la termodinamica, l'interfaccia della nanoparticella con il liquido, il ruolo dei beni meccanici (rigidezza, elasticità, aderenza). L'obiettivo è di capire i fenomeni di base in modo che la progettazione razionale delle nanoparticelle per un'applicazione medica specifica diventi possibile.

Dal punto di vista di un fisico, i sistemi biologici sfruttano la chimica fisica delle biomolecole nanometro di taglia (proteine, DNA…) per creare le strutture funzionali e dinamiche complesse con i beni nanomechanical dettagliati (aderenza, rigidezza, elasticità), ha adattato le interfacce e un'organizzazione gerarchica funzionale (da nanometro al micron ai disgaggi di millimetro). Le Interfacce ed i beni meccanici modulano le strutture funzionali che permettono alla funzione biologica, dalla selettività di un canale della membrana, all'associazione di una proteina a DNA, a divisione cellulare e la morfogenesi e l'organizzazione dei tessuti e degli organi. Tutte queste funzioni sono alterate tramite la malattia o il trauma.

Ulteriormente, i sistemi biologici quali le proteine ed il DNA creeranno le interfacce con i liquidi circostanti che governeranno le loro interazioni con i nanomaterials; le celle reagiranno ai nanomaterials artificiali con le interazioni alle loro interfacce che saranno modulate dai beni meccanici (per esempio aderenza, elasticità) sia della cella che del materiale, come celle dinamicamente reagiscono al prodotto chimico come pure alle indicazioni meccaniche (mechanotransduction). Capendo questi complessi, le strutture dinamiche e le proprietà fisiche è una delle sfide principali di scienza moderna e costituisce i precedenti scientifici al nanomedicine, ai biomateriali ed ai sistemi moderni di bioinspired/biomimetic.

Parametri e concetti fisici Chiave:

  • interfacce
  • forze molecolari
  • beni meccanici (aderenza, elasticità)
  • dinamica
  • nanochimica
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Misura Quantitativa

C'è poca conoscenza scientifica quantitativa dei trattamenti di base che governano il nanomaterial/interazioni medie biologiche. Con le tecniche attualmente disponibili, è molto provocatorio ottenere le informazioni quantitative necessarie di tutti i parametri pertinenti, risoluzione da nanometro e sotto-nanometro delle strutture e la loro dinamica in liquidi fisiologici, alla mappatura dei beni meccanici delle celle, biomolecole e nanomaterials al disgaggio di nanometro ed i beni delle interfacce che i materiali biologici e nanostructured complessi stabiliscono con i liquidi biologici.

Il Nostro lavoro

La Figura 2. usi AFM di Sonia Contera ha basato le tecniche per la misura quantitativa dei beni meccanici e le interfacce dei sistemi biologici nelle circostanze fisiologiche
Durante gli ultimi anni abbiamo sviluppato le tecniche basate sul microscopio atomico della forza (AFM) che ci hanno permesso di misurare quantitativamente le interfacce delle molecole e delle strutture biologiche con i liquidi fisiologici.

Facendo Uso del AFM con un metodo novello di piccolo-ampiezza in cui un microcantilever è oscillato appena con ampiezza del ~ 1 Å all'interfaccia della superficie e del liquido, abbiamo potuti misurare l'energia di aderenza del solido liquido con risoluzione sotto-nanometro 1. Facendo Uso di questa tecnica abbiamo quantificato l'elettrostatica complessa degli effetti ionici di misurazione delle proteine della membrana (bacteriorhodopsin, una pompa del protone attivata indicatore luminoso graduata nanometro 3) sulla struttura dell'acqua all'interfaccia 2. Facendo Uso del suggerimento del AFM come nanoindenter molto preciso abbiamo quantificato la rigidezza di singola proteina della membrana 3. Ancora abbiamo potuti indicare che l'elasticità di una proteina della membrana è collegata con i sui beni dell'interfaccia 2. Facendo Uso di una tecnica ad alta velocità del AFM (sviluppata dal ando e dai colleghi di Toshio all'Università di Kanazawa) quella risoluzione di sotto-nanometro delle associazioni con si accelera a 50 frames/s, abbiamo studiato la dinamica del bacteriorhodopsin durante il pompaggio delle proteine 4, 5 ed abbiamo indicato come la funzione della proteina all'interno della membrana comprende l'accoppiamento con le proteine vicine 5. Abbiamo aumentato la risoluzione del AFM in soluzione risolvere i singoli atomi in soluzione 1, uno ione che lega ad una proteina della membrana ed abbiamo potuto risolvere l'doppio elica del DNA. Più recentemente, facendo uso del AFM a più frequenze avanzato abbiamo potuti mappare quantitativamente i beni nanomechanical delle celle viventi con la velocità e l'accuratezza senza precedenti 6; ciò permetterà di studiare i meccanismi fondamentali che determinano la risposta nanomechanical delle cellule nei contesti differenti. Abbiamo indicato che la pertinenza di questi beni per l'interazione delle biomolecole e le celle con le superfici e noi hanno indicato che le interfacce, la dinamica ed i beni meccanici effettivamente sono correlati 2.

Applicazione di fisica di base al nanomedicine

Corrente stiamo sfruttando questi conoscenza e tecniche per progettare i nanostructures (a sistemi basati nanostructure di droga consegna e i nanocomposites per rigenerazione del tessuto) che permettono alla selettività ed alla biocompatibilità dalle interfacce gestenti e dai beni meccanici.

  1. È stato indicato che i meccanici importa nel cancro: per esempio le nanoparticelle possono raggiungere i tumori facendo uso dei beni meccanici differenziali dei vasi sanguigni circostanti (il cosiddetto effetto di EPR 7). Il Nostro scopo è di progettare le nanoparticelle che non solo hanno il diritto la chimica ma anche i giusti beni meccanici, facendo uso della nostra capacità di quantificare i beni meccanici al nanometro-disgaggio.
  2. C'è un interesse crescente nel utilizzare la nanotecnologia nelle bio- applicazioni dei materiali quali gli innesti per riparare il tessuto dell'osso. I nanomaterials e i nanocomposites di Bioinspired possono promuovere guarire e rigenerazione del tessuto perché possono essere usati per fornire una buona corrispondenza strutturale e meccanica a quello del tessuto reale, possono fornire la conduttività elettrica del nanoscale (importante nei tessuti del midollo spinale e per esempio del cuore), migliorare il collante ed il micro dell'innesto/nanoenvironment- che definisce le parti e migliorare la capacità delle celle auto-di montare in tessuti 3D.

Figura 3. immagine di SEM di un'impalcatura 3D creata facendo uso di un nanocomposite dei nanotubes del carbonio e del chitosan, dalla L Bugnicourt, dallo S. Trigueros e dalla S Contera, non pubblicato.

Siamo particolarmente interessati nei nanotubes del carbonio. Per esempio, i nanotubes del carbonio mostrano il comportamento viscoelastico simile a quello osservato in membrane del tessuto molle, in modo da possono essere usati per aumentare il modulo Di Young e la resistenza alla trazione dei biomateriali ibridi.

I nanotubes del Carbonio sono stati indicati per supportare la coltura dei neuroni. La Coniugazione di questi nanotubes ai substrati differenti può pregiudicare il comportamento delle cellule e promuovere il collegamento, la crescita, la differenziazione e la sopravvivenza a lungo termine dei neuroni, poichè i neuroni sembrano avere bisogno di un nanostructure conduttivo di potere sopravvivere a. Malgrado i vantaggi dei nanotubes del carbonio hanno indicato alcune emissioni di biocompatibilità. Stiamo sviluppando le strategie per la creazione delle reti del nanocomposite dei nanotubes e dei biopolimeri del carbonio, con i beni strutturali e meccanici controllati. Potremmo assicurarci che i nanocomposites fossero biocompatibili ed elettricamente attivo usando i beni dell'auto-assembly e la biocompatibilità per esempio del chitosan. 8


Riferimenti

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, mappatura Direct dell'energia di aderenza del solido liquido con risoluzione del subnanometre. Nanotecnologia della Natura, 2010. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky e J.F. Ryan, condensazione ionica Controllata alla superficie di una membrana extremophile indigena. Nanoscale, 2010. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2007). “Le interazioni Elettrostatiche e steriche determinano la biomeccanica della unico molecola di bacteriorhodopsin.„ Giornale Biofisico 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, et al. (2009). “Dinamica cristallo di bacteriorhodopsin del 2D osservato da microscopia atomica ad alta velocità della forza.„ Giornale di Biologia Strutturale 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2009). “Accoppiamento Laterale e dinamica cooperativa nella funzione del bacteriorhodopsin indigeno della proteina della membrana.„ Materia Molle 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, et al. (2011). “Mappando i beni nanomechanical delle celle in tensione facendo uso della microscopia atomica multi-armonica della forza.„ Nanotecnologia della Natura 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. e H. Maeda (1986). “Un nuovo concetto per terapeutica macromolecolare in chemioterapia del cancro: meccanismo di capitalizzazione tumoritropic delle proteine e degli smancs antitumorali dell'agente.„ Ricerca del Cancro 46 (12 Pinte 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera “Biocompatibilità ed Assemblea di Assistenza Tecnica in Elettrodi di Nanotube del Carbonio Facendo Uso dei Beni Fisico-chimici Moduli A Stato Solido Del Chitosan„ e Materiali 2011, atti, No. 5372.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:25

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