Методическая разработка по биологии для 8 класса "Презентация по теме "Нанотехнологии в медицине и фармакологии"

НАНОТЕХНОЛОГИИ в МЕДИЦИНЕ и ФАРМАКОЛОГИИ

Учитель биологии

МБОУ «Школа № 112»

Трущелева С.С.

НАНОТЕХНОЛОГИИ

• Нанотехнологии – это технологии, которые манипулируют единичными объектами размером не более 100 нм и используют их уникальные свойства, возникающие вследствие того, что в наночастицах, благодаря их малым размерам, существенно изменяются физико-химические свойства вещества.

РАЗРЕШИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

• НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой.

Медицинский наноробот в организме человека

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

• В последнее десятилетие возникло новое направление в науке и технологиях – нанобиотехнология или биомолекулярная нанотехнология . Эта область познания представляет собой биологическое использование нанотехнологий, в качестве связующего звена между живой и неживой природой. Изучение структур и функций природных наноконструкций, существующих в живой клетке - необходимый этап для создания нанобиоустройств. Задача нанобиотехнологии - понять принципы функционирования биологических единиц для создания с помощью специальных материалов и интерфейсов малых компонентов живого. Нанобиотехнология способствуют тесной кооперации наук о живом с физикой, химией и инженерией.

ИЗ ИСТОРИИ

• Сам термин «нанотехнология» ввел в 1986 г. американский исследователь Э. Дрекслер. В своих работах он выдвинул проект молекулярной сборки необходимых микроструктур и микрообъектов как технологическую задачу для будущего.  

• Ким Эрик Дрекслер (1955 г., возраст 64 года) — известный американский учёный, «отец нанотехнологий», инженер, известный популяризатор нанотехнологий. Автор концепции нанотехнологического механосинтеза, первый теоретик создания молекулярных нанороботов, концепции «серой слизи».

НЕМНОГО ИСТОРИИ

• Медицинские приложения нанобиотехнологии привели к появлению новой отрасли наномедицины [Freitas, 2005]. По определению Р. Фрейтаса:
• Наномедицина – это исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур". Предложенная им система представлений подразумевает использование методов и техники нанотехнологии при лечении, омоложении человека, включая переход к биологическому бессмертию.

Роберт Фрейтас, исследователь, автор фундаментального труда «Наномедицина»

НЕМНОГО ИСТОРИИ

• Ричард Фейнман обозначил основные направления развития нанотехнологий. Это и сверхплотная запись и хранение любой информации, и разработка миниатюрных компьютеров, и создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман говорил: «...было бы интересно для хирургии если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и "осмотрится" там...»

Ричард Фейнман  (1918–1988), американский физик, удостоенный в 1965 Нобелевской премии по физике за работы по квантовой электродинамике. 

ЗАДАЧИ НАУК

1) Адресная доставка лекарств в клетки и ткани с помощью наночастиц, создание новых лекарств и нановакцин;

2) Разработка высокочувствительных 

нанозондов и биомаркеров  для 

диагностики заболеваний и контроля за их лечением (имплантируемые сенсоры) ;

3) Создание высокопроизводительных чипов для генетического тестирования, создание наночастиц для визуализации клеток и тканей;

4) Создание искусственных тканей, биосовместимых материалов, имплантов и биологических мембран;  

5) Конструирование молекулярных объектов;

6) Интерфейс  нейронов  с  ЭВМ;  

7) Создание нанороботов  для коррекции клеточных и молекулярных дефектов в организме

• Нанобиология и наномедицина - новые междисциплинарные науки, которые решают следующие задачи:

НАПРАВЛЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ХИРУРГИИ

• Нано(био)технологии в медицине (хирургии)– наномедицина – развиваются в следующих направлениях:
• Медицинские нанороботы
• Кровезаменители на основе наноматериалов
• Наноматериалы для остановки кровотечений
• Имплантаты и протезы на основе наноматериалов
• Наноматериалы и наноструктуры для доставки ростовых факторов

Механический «хирург» в кровеносной системе

Ассемблер – устройство для ремонта живых организмов

Робот –ремонтник размером  1×1×3 микрона

МЕДИЦИНСКИЕ НАНОРОБОТЫ

Роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Нанороботы вводятся в кровоток и затем осуществляют поиск пораженной ткани и коррекцию дефектов за счет манипулирования на наноуровне.

Наноробот замещает нейроны

КРОВЕЗАМЕНИТЕЛИ

Полигемоглобин , связанный с каталазой и супероксиддисмутазой (Powanda, Chang, 2002) создан на основе нанобиотехнологий. Кровезаменители на основе такого полигемоглобина особенно эффективны при геморрагическом шоке, сопровождающемся массивной ишемией с последующей реперфузией.

Респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови.

При проведении хирургических операций зачастую необходима донорская кровь и ее компоненты. Для устранения дефицита донорской крови и ее компонентов разрабатываются искусственные кровезаменители, в частности с использованием нанотехнологий.

НАНОКЛЕЙ

Новый клей основан на углеродной цепочке. На её концах — кремний, кислород и сера. Эти молекулы действуют как крючки, соединяющие две поверхности.

С помощью нового вещества медики будут не зашивать, а склеивать органы пациента.

Наноклей не только быстрее и крепче «схватывает» кости, но и ускоряет процесс естественного обновления тканей.

Хирургические операции не будут оставлять шрамов и рубцов на теле пациентов.

Частицы клея совершенно безопасны и нетоксичны для организма.

НАНОКОСТИ

Наноматериал, при комнатной температуре представляющий собой жидкость, быстро застывающий при повышении температуры до 37°C. Твердая субстанция по своим физическим свойствам очень напоминает кость. Наноматериал состоит из циклических молекул, каждая из которых соединяется с двумя другими.

Скорость застывания может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

Материал легко интегрируется с костной тканью и его можно использовать для заполнения дефектов костей.

Может служить для прикрепления металлических фрагментов к костям.

Исключает необходимость проведения сложной операции и ускоряет процесс восстановления.

НАНОПОЗВОНОЧНИК

Углеродные нанофрагментарные системы в виде трехмерных тел, обладающие достаточной прочностью и высокой пористостью. Системы могут быть любой формы.

Отвечают требованиям безопасности, предъявляемым к медицинским изделиям, контактирующим с кровью и мягкими тканями человека. Не оказывает местного раздражающего действия на окружающие ткани при длительной имплантации.

НАНОПЛЕНКИ

Тонкая пленка толщиной 20 нанометров, поддающаяся биологическому разложению, способная заменить хирургические нити.

Ультратонкое полилактатное волокно способно запечатывать надрезы внутренних органов.

При закрытии надреза этим волокном, он заживает без шрамов или опасных срастаний.

Применение в качестве средств транспортировки.

Нанолисты достаточно крепкие, чтобы закрыть рану.

Наночастицы

Липосома

Наноробот

Нанокапсула

Сделать анимацию

Наночастицы – это

частицы, размеры которых не превышают 100 нм.

Графен

Фуллерен

ФУЛЛЕРЕН

Фуллерены являются мощнейшими  антиоксидантами , известными на сегодняшний день. В среднем они превосходят действие всех известных до них антиоксидантов в 100—1000 раз.

Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств.

МИКРОКОНТЕЙНЕРЫ

Помимо создания новых лекарственных форм многие разработки идут по пути конструирования наносистем, способных доставлять лекарство непосредственно к органам и клеткам-мишеням. Улучшенный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии. Объем продаж в США лекарств с системой улучшенной доставки в настоящее время составляет 20% от общего объема рынка фармпрепаратов. Высокую транспортную эффективность показала и наша разработка транспортной системы – фосфолипидная наносистема «Нанофосфолип» , представляющая собой стабильный при хранении лиофильно высушенный порошок фосфолипидных наночастиц, диаметром 20-30 нм. НАНОФОСФОЛИП как транспортную систему можно наполнять различными лекарственными субстанциями.

КОМПОЗИЦИИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ФОСФОЛИПИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Композиция

% встраивания

лекарственной

Размер частиц

Фармакологическое действие

субстанции

Фосфолипидная

наносистема (ФН)

(19±3) нм

Острые отравления,

Арбидол+ ФН

прекоматозные состояния

98

Доксорубицин

(8±3) нм

Противовирусное

96

+ ФН

(17±2) нм

Противоопухолевое

Хлорин Е6 + ФН

90

(21±3) нм

Фотодинамическая терапия и

диагностика

Будезонид + ФН

99

Противовоспалительное

(22±5) нм

(глюкокортикостероид)

Индометацин + ФН

98

Липоевая кислота

Нестероидный

(35±5) нм

противовоспалительный

99

препарат

(35±3) нм

Антиоксидантное

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ФОРМЫ ФОСФОГЛИВА

Сейчас ФОСФОГЛИВ – сертифицированный лекарственный препарат из группы гепатопротекторов, обладает также противовирусной активностью. Фосфатидилхолин в составе средства, действуя наподобие «мембранного клея», восстанавливает структуру поврежденных мембран гепатоцитов, восстанавливая функцию печени. Глицирризиновая кислота в виде натриевой соли подавляет репродукцию вируса в печени и других органах за счет стимулирующего действия на продукцию интерферона, увеличения активности естественных киллеров и др. Препарат показан при острых и хронических гепатитах (А, B, C и D), дегенеративных изменениях печени, при лекарственном и алкогольном поражении печени, при псориазе, экземе и бронхиальной астме.

ФОСФОГЛИВ – НОВЫЙ ПРЕПАРАТ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ ПЕЧЕНИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ВИРУСНЫХ ГЕПАТИТОВ

ЛИПОСОМА

С помощью липосом изучают воздействие на мембраны витаминов, гормонов, антибиотиков и других препаратов. Для ядовитых препаратов важным является точная их доставка к больному органу или ткани, минуя остальные части организма. Липосомы успешно используются, как носители лекарств.

липосомы – сферические двухслойные

мембраны, содержащие внутри

лекарственные вещества.

ВИРУС КАК РОБОТ

В настоящее время вирусы уже активно используются для внесения в клетки нового генетического материала. В перспективе можно представить себе использование разнообразных роботов-вирусов, способных распознавать клетку определенного типа, находящуюся в определенном состоянии. В зависимости от конкретной ситуации такой робот-вирус сможет убить эту клетку (например, возбудителя заболевания) или ввести в нее необходимые молекулы ДНК или РНК - вплоть до полной замены поврежденного генетического материала

Нанооболочки

Это активируемые светом наночастицы, которые состоят из кремниевого ядра, покрытого золотой оболочкой.

Они созданы для разрушения опухолей методом гипертермии.

НАНОКАПСУЛЫ

Биоинженер Франк Алексис из Университета Клемсона в США разработал новые, более безопасные способы доставки лекарственных препаратов в организм.

Усовершенствованный способ направленной доставки лекарства и предотвращения его выведения из организма – инкапсулирование , то есть помещение препарата внутрь биосовместимого протектора для целенаправленной доставки», – сказал Алексис. Используемые Алексисом капсулы представляют собой наночастицы .

Нанокапсула (также коллоидосома) — наночастица, состоящая из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей ее внутреннюю полость или содержимое.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ

Основными областями применения нанотехнологий являются:

В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы функционировать внутри человеческого организма. Такие устройства могут быть стационарно закрепленными в тканях, перемещаться пассивно (например, вдоль желудочно-кишечного тракта) или активно. В последнем случае они могут "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, плавать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях.

технологии диагностики

лекарственные препараты

протезирование (Кератиновое протезирование волос)

имплантаты (Имплантация з убов без разреза десны)

Плюсы и минусы нанотехнологий

-

+

диагностика заболеваний на ранней стадии

токсичность возрастает с уменьшением размеров частиц

Нано

тегнологии

адресная доставка лекарств

наночастицы повреждают биомембраны

регенеративная медицина

нарушают функции биомолекул

Выводы

Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки.

В будущем Нанотехнологии:

• обеспечат ускорение разработки новых лекарств
• создадут высокоэффективные формы и способы доставки лекарственных средств к очагу заболевания
• предложат новые средства диагностики
• позволят провести нетравматические операции

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. « Нанобиотехнологии в медицине: нанодиагностика и нанолекарства», Арчаков А.И., академик РАМН, профессор, М., 2009г. https://www.google.com/search?q=методы+использование+нанотехнологий+в+медицине

2. «Нанотехнологии в медицине», мед. Газета №66, 07.09.2012г. http://www.mgzt.ru

3. «Наномедицина», википедия https://ru.wikipedia.org/wiki

4. «Клеточная трансплантология», https://ru.wikipedia.org/wiki/ Клеточная_трансплантология

5. «Применение нанотехнологий в биологии и медицине», http://nano.msu.ru/education/biotechnology/courses/V/application

6. «Нанотехнологии», http://www.hesin-tech.ru/article11.html

7. «Наночастицы в медицине и фармацевтике», 05.10.2009г. http://vechnayamolodost.ru/articles/nanotekhnologii/navmif2a/

8. «О развитии нанобиотехнологии», М.П. Кирпичников, К.В. Шайтан, журнал «Инновации», М., 10.07.2008г., http://vechnayamolodost.ru/articles/nanotekhnologii/o_razvitii__nanobiotehnologii/

9. «Заверните белковый препарат в полипептид», 23.09.2009г., http://vechnayamolodost.ru/news/zabpvp89/

10. «Больной, проснитесь! Пора принять снотворное», 23.09.2009г., http://vechnayamolodost.ru/news/bolprpoprsn1a/

11. «Мозг не в порядке? Вдохните стволовых клеток!», 16.09.2009г., http://vechnayamolodost.ru/articles/kletochnye-tekhnologii/moznevpovdstkl33/

12. «Генетически модифицированные бактерии доставят лекарство точно в цель», 25.08.2009г., http://vechnayamolodost.ru/news/genemodbakffb9/

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

13. https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология

14. «Наномедицина и наноэтика», https://studme.org/97887/etika_i_estetika/nanomeditsina_nanoetika

15. «Нанотехнологии», http://kriorus.ru/nanotech.html