Related Offers

Fysica in Nanomedicine: Interfaces en Mechanische Eigenschappen van Nanomaterials en Biologische Systemen met AFM

Door Professor Sonia Contera

Professor Sonia Contera, Academische Kameraad RCUK in Biologische Fysica en Nanomedicine, de Universiteit van Oxford. Overeenkomstige auteur: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Persoonlijke website.

In het afgelopen decennium, hebben de wetenschappers en de ingenieurs stijgende controle over de eigenschappen van kwestie bij de nanometerschaal - het meten bereikt, voorspellend en construerend nanoparticles en nanostructures. De Nieuwe toepassingen zijn gecreeerd die het potentieel hebben om alles van productie aan energieproductie en toegang tot schoon water om te zetten; efficiëntere verontreinigingsvermindering en preventie; sterkere, lichtere, goedkopere materialen. Een gebied waar de nanotechnologie één van de wezenlijkste effecten kon maken is geneeskunde.

Waarom nano in geneeskunde?

De fundamentele bouwstenen van het leven - DNA, proteïnen, lipiden - zijn nano-gerangschikte systemen. Op het moleculaire niveau gebeurt heel wat biologie bij de NM-schaal. DNA (diameter ~ 2nm) en de proteïnen (typisch ~ 3 - tientallen van NM), zijn effectief complexe die nanomachines door evolutie wordt verfijnd, en hun functie, hun bewegingen, hun werktuigkundigen en hun interactie met elkaar in gezondheid en ziekte kunnen worden bestudeerd en, met nanotechnologiehulpmiddelen worden gericht.

Figuur 1. De vergelijking van de Grootte: nanoparticles en biologische systemen

Deze convergentie van nanotechnologie en biologie heeft geleid tot de totstandkoming van nanomedicine. Nanomedicine is het gebruik van nanotechnologie om radicaal betere onderzoek, diagnose en behandeling van ziekte tot stand te brengen dat het enig-moleculeniveau kunnen bereiken. De Nanotechnologie helpt om tot een revolutie, een paradigmaverschuiving op de manier te leiden wij behandelen en ziekte diagnostiseren; het huidige onderzoek concentreert zich op gebieden zoals nieuwe gerichte drug-levering systemen, nanomaterials om beschadigde weefsels te herstellen, en uiterst nauwkeurige biosensing apparaten. De aanbiedingen van Nanomedicine hopen voor het behandelen van b.v. ruggemergverwondingen, diabetes, hartkwaal, Ziekte van Parkinson en kanker.

Multidisiciplinarity van nanomedicine

Nanomedicine is van de convergentie van verschillende wetenschappen het gevolg bij de NMschaal: materialen wetenschap, fysica, chemie, biologie, techniek, enz. Dit leidt tot wetenschappers met verschillende achtergronden, en verschillende technische en intellectuele vaardigheden, proberend om medische problemen aan te pakken gebruikend nanotechnologie, zoals „wat de beste manier is om een tumor met een nanoparticle te richten?“. De uitdaging van nanomedicine is de kennis van chemici, biologen en fysici te integreren om het optimale antwoord te bereiken.

Één belangrijke bijdrage tot dit gebied komt uit fysica. De Fysici proberen om de basisinteractie van nanomaterials met biologische systemen te identificeren en te kwantificeren - de moleculaire krachten die de interactie drijven (elektrostatica, van der Waals, dynamische complexe fenomenen), de thermodynamica, de interface van nanoparticle met de vloeistof, de rol van mechanische eigenschappen (stijfheid, elasticiteit, adhesie). De doelstelling is de basisfenomenen te begrijpen zodat het rationele ontwerp van nanoparticles voor een specifieke medische toepassing mogelijk wordt.

Van het standpunt van een fysicus, exploiteren de biologische systemen de fysieke chemie van NM-gerangschikte biomoleculen (proteïnen, DNA…) om complexe functionele, dynamische structuren met gedetailleerde nanomechanical eigenschappen (adhesie, stijfheid, elasticiteit), gemaakte interfaces en een functionele hiërarchische organisatie (van NM aan micron aan mmschalen) te creëren. De Interfaces en de mechanische eigenschappen moduleren de functionele structuren die biologische functie, van de selectiviteit van een membraankanaal, aan de band van een proteïne aan DNA, aan celafdeling en morfogenese en de organisatie van weefsels en organen toelaten. Elk van deze functies worden veranderd door ziekte of trauma.

Bovendien, zullen de biologische systemen zoals proteïnen en DNA tot interfaces met de omringende vloeistoffen leiden die hun interactie met nanomaterials zullen regeren; de cellen zullen aan kunstmatige nanomaterials door interactie bij hun interfaces die door mechanische eigenschappen (b.v. adhesie, elasticiteit) zullen worden gemoduleerd van zowel de cel als het materiaal, als cellen dynamisch reageren aan chemisch product, evenals aan mechanische richtsnoeren reageren (mechanotransduction). Het Begrip van deze complexe, dynamische structuren en fysische eigenschappen is één van de belangrijkste uitdagingen van moderne wetenschap en vormt de wetenschappelijke achtergrond aan moderne nanomedicine, biologisch materialen en systemen bioinspired/biomimetic.

Zeer Belangrijke fysieke parameters en concepten:

  • interfaces
  • moleculaire krachten
  • mechanische eigenschappen (adhesie, elasticiteit)
  • dynamica
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Kwantitatieve meting

Er is weinig kwantitatieve wetenschappelijke kennis van de basisprocessen die de nanomaterial/biologische middelgrote interactie regeren. Met nu verkrijgbare technieken, is het zeer uitdagend om de noodzakelijke kwantitatieve informatie van alle relevante parameters, uit NM en sub-NM- resolutie van structuren en hun dynamica in fysiologische vloeistoffen, aan afbeelding van mechanische eigenschappen van cellen, biomoleculen en nanomaterials bij de NMschaal te verkrijgen, en de eigenschappen van de interfaces die complexe biologisch en nanostructured materialen vestigen met biologische vloeistoffen.

Ons werk

Figuur 2. Gebruik AFM van Sonia Contera baseerde technieken voor kwantitatieve meting van mechanische eigenschappen en interfaces van biologische systemen in fysiologische voorwaarden
In de laatste jaren dat hebben wij technieken ontwikkeld op de atoomkrachtmicroscoop worden gebaseerd (AFM) die ons hebben toegelaten om de interfaces van biologische molecules en structuren met fysiologische vloeistoffen kwantitatief te meten.

Het Gebruiken van AFM met een nieuwe klein-omvangmethode waarin een microcantilever enkel met ~ 1 omvang Å bij de interface van de oppervlakte en de vloeistof wordt geoscilleerd, hebben wij de energie van de vaste-vloeibare stofadhesie met sub-NM- resolutie kunnen meten 1. Gebruikend deze techniek kwantificeerden wij de complexe elektrostatica van membraanproteïnen die (bacteriorhodopsin, een 3 NM gerangschikte licht geactiveerde protonpomp) Ionische gevolgen voor de waterstructuur meten bij de interface 2. Gebruikend het uiteinde AFM als zeer nauwkeurige nanoindenter hebben wij de stijfheid van één enkele membraanproteïne gekwantificeerd 3. Verder hebben wij kunnen aantonen dat de elasticiteit van een membraanproteïne met zijn interfaceeigenschappen verwant is 2. Gebruikend een hoge snelheidsAFM techniek (door Toshio ando en collega's bij Universiteit Kanazawa wordt ontwikkeld) die sub-NM- resolutie met versnelt aan 50 frames/s combineert, hebben wij de dynamica van bacteriorhodopsin tijdens het pompen van proteïnen bestudeerd 4, 5 en getoond hoe de eiwitfunctie binnen het membraan de koppeling met naburige proteïnen die impliceert 5. Wij hebben verhoogd de resolutie van AFM in oplossing om enige atomen op te lossen in oplossing 1, een ion dat aan een membraanproteïne binden en de dubbel-schroef van DNA kunnen oplossen. Meer onlangs, gebruikend overzicht multifrekwentie AFM hebben wij de nanomechanical eigenschappen van levende cellen met ongekende snelheid en een nauwkeurigheid kunnen kwantitatief in kaart brengen 6; dit zal het mogelijk maken om de fundamentele mechanismen te bestuderen die cel nanomechanical reactie in verschillende contexten bepalen. Wij hebben de relevantie van deze eigenschappen voor de interactie van biomoleculen en cellen met oppervlakten getoond en wij hebben aangetoond dat de interfaces, de dynamica en de mechanische eigenschappen inderdaad met elkaar in verband worden gebracht 2.

Toepassing van basisfysica op nanomedicine

Momenteel exploiteren wij deze kennis en technieken om nanostructures (op nanostructure-gebaseerde drug-levering systemen, en nanocomposites voor weefselregeneratie) te ontwerpen die selectiviteit en biocompatibility door interfaces en mechanische eigenschappen te controleren toelaten.

  1. Men heeft getoond dat de werktuigkundige in kanker van belang is: bijvoorbeeld nanoparticles kan tumors bereiken gebruikend de differentiële mechanische eigenschappen van het omringende bloedvat (het zogenaamde EPR effect 7). Ons doel is te ontwerpen nanoparticles dat niet alleen de juiste chemie maar ook de juiste mechanische eigenschappen hebben, die onze capaciteit gebruiken om mechanische eigenschappen bij de NM-schaal te kwantificeren.
  2. Er is een groeiende rente in het gebruiken van nanotechnologie in biomaterialentoepassingen zoals implants om beenweefsel te herstellen. Nanomaterials van Bioinspired en nanocomposites kunnen het helen en weefselregeneratie bevorderen omdat zij kunnen worden gebruikt om een goede structurele en mechanische aanpassing aan dat van echt weefsel te verstrekken, kunnen nanoscale elektro belangrijk geleidingsvermogen (in b.v. hart en ruggemergweefsels) verstrekken, de de implant kleefstof en micro/nanoenvironment- het bepalen van delen verbeteren, en de capaciteit van cellen verbeteren in 3D weefsels zelf-te assembleren.

Figuur 3. Beeld van SEM van een 3D steiger leidde tot het gebruiken van een nanocomposite van Chitosan en koolstof nanotubes, door L Bugnicourt, S. Trigueros en S ongepubliceerde Contera.

Wij zijn bijzonder geinteresseerd in koolstof nanotubes. Bijvoorbeeld, toont de koolstof nanotubes viscoelastic gedrag gelijkend op dat waargenomen in zacht-weefselmembranen, zodat kunnen zij worden gebruikt om de de modulus en treksterkte van de Jongelui van hybride biologisch materialen te verhogen.

De Koolstof is nanotubes getoond om de cultuur van neuronen te steunen. De Vervoeging van deze nanotubes aan verschillende substraten kan celgedrag beïnvloeden en gehechtheid, de groei, differentiatie en overleving op lange termijn van neuronen bevorderen, aangezien de neuronen schijnen om een geleidende nanostructure te vergen kunnen overleven. Ondanks de voordelen van koolstof nanotubes hebben zij sommige biocompatibilitykwesties getoond. Wij ontwikkelen strategieën om nanocomposite netwerken van koolstof nanotubes en biopolymeren, met gecontroleerde structurele en mechanische eigenschappen tot stand te brengen. Wij konden ervoor zorgen dat nanocomposites door de zelf-assemblageeigenschappen en biocompatibility van b.v. Chitosan te gebruiken biocompatibel en elektrisch actief zijn. 8


Verwijzingen

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, Directe afbeelding van de energie van de vaste-vloeibare stofadhesie met subnanometreresolutie. De Nanotechnologie van de Aard, 2010. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky, en J.F. Ryan, Controleerde Ionische condensatie aan de oppervlakte van een inheems extremophile membraan. Nanoscale, 2010. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2007). De „Elektrostatische en sterische interactie bepalen de biomechanica van de bacteriorhodopsin enig-molecule.“ Biofysisch Dagboek 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, et al. (2009). „Dynamica van bacteriorhodopsin 2D kristal door microscopie die van de hoge snelheids de atoomkracht wordt waargenomen.“ Dagboek van Structurele Biologie 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2009). „Zijkoppeling en behulpzame dynamica in de functie van inheemse membraan eiwitbacteriorhodopsin.“ Zachte Kwestie 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, et al. (2011). „In Kaart Brengend nanomechanical eigenschappen van levende cellen die de multi-harmonische atoomkrachtmicroscopie.“ gebruiken Nanotechnologie van de Aard 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. en H. Maeda (1986). Een „nieuw concept voor macromolecular therapeutiek in kankerchemotherapie: mechanisme van tumoritropic accumulatie van proteïnen en de antitumor agent smancs.“ Kanker Onderzoek 46 (12 PT 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera „Techniek Biocompatibility en Assemblage in de Elektroden die van Nanotube van de Koolstof van de Fysico-chemische Eigenschappen van Chitosan Gebruiken“ Apparaten In Vaste Toestand en Materialen 2011, werkzaamheden, nr 5372.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:14

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit