Nanomedizin Gesamtversion

1. Einführung

Die Dimension des Nanometers Quellen: Diverse

Die Dimension des Nanometers 1 nm = 10-9 m 0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100 nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm Bakterien Makromoleküle Menschliches Haar Atome Zellorganellen org. Moleküle eukaryotische Zellen mehrzellige Organismen Viren Quellen: Diverse

Blick in die Nanowelt 0.2 nm 0.2 μm 0.2 mm menschliches Auge Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie Rastersondenmikroskopie 0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100 nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm Atome org. Moleküle Viren Bakterien mehrzellige Organismen Makromoleküle eukaryotische Zellen Quellen: sinnesphysiologie.de / kt.infrarot.de / uni-saarland.de / NANO-4-SCHOOLS

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) Detektor (Photodiode) Laserstrahl piezogesteuerte Messeinheit mit Federbalken Probe (Oberfläche = Topographie) Quelle: Nanosurf

Topographie: eine Frage der Grössenordnung Reliefdarstellung einer sandgestrahlten Oberfläche (0.25 mm2) (AFM-Aufnahme) Alpenlandschaft (25 km2) STM-Aufnahme einer Kupferoberfläche (ca. 5 nm2) Quelle: EMPA Topographie-Lernprogramm; almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

Was ist Nanomedizin? Einsatz von Nanotechnologie für Diagnose Monitoring Behandlung von Krankheiten Voraussetzung: Wissen um die Funktionen der Gene und Proteine, damit Krankheiten auf molekularer Ebene diagnostiziert und behandelt werden können. Beispiele: Gentherapie Proteintherapeutika Einsatz von Antikörpern zur gezielten Medikamentenabgabe in kranken Geweben.

Fünf Hauptanwendungsfelder Wirkstofftransport Neue Therapien und Wirkstoffe In-vivo-Diagnostik In-vitro-Diagnostik Medizinische Implantate Die meisten Firmen entwickeln Wirkstofftransportsysteme. Aufgliederung der Unternehmen (weltweit) mit Nanomedizin-Aktivitäten nach Anwendungsfeldern. (Quelle: VDI Technolgoie-zentrum GmbH) Quelle: Hessen-Nanotech Broschüre „Nanomedizin“ (Band 2)

2. Anwendungen

Nanoroboter

Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin Antimikrobielle Beschichtungen Nanokrebstherapie Molekulare Krebs-früherkennung Neuro-Kopplung Nanopartikel als Markerstoffe Biokompatible Implantate Biosensoren Lab-on-a-chip Systeme Tissue Engineering Nanoskalige Kontrastmittel Intelligente Drug Delivery-Systeme Nanopartikel zum Wirkstofftransport Theranostik Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept 0-5 Jahre 5-10 Jahre 10-15 Jahre Quelle: Hessen Nanotech „Nanomedizin“

Biokompatible Implantate Schenkelhalsprothese Mit nanometergrossen Diamantpartikeln beschichtete Gelenkimplantate haben besonders gute Gleiteigenschaften und zeigen zudem eine stark verminderte Abriebsbildung. > erhöhte Biokompatibilität und Langzeitstabilität Knieprothese Quelle: DiaCCon GmbH

Nanokrebstherapie Nano-Eisenpartikel lagern an die Zellen des Glioblastoms resp. werden in diese aufgenommen. Nano-Eisenpartikel werden in das Tumorgewebe eingespritzt. Glioblastom: aggressiver, schnell wachsender Hirntumor Mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes werden die magnetischen Nano-Eisenpartikel erwärmt, dadurch wird der Tumor zerstört! Quelle: MagForce GmbH

Nanopartikel z.B. Phosphor Nanoskalige Kontrastmittel Das Kontrastmittel und das Zielfindungsmolekül werden an einen Nanopartikel gekoppelt. Durch das Zielfindungsmolekül erfolgt die Anreicherung im kranken Gewebe oder auf einem Krankheitserreger. Kontrastmittel z.B. Lanthanide als Quantenpunkte (Dots) Zielfindungsmolekül („Schlüssel“) z.B. Oligo-nukleotid oder Eiweiss Nanopartikel z.B. Phosphor Y Y Marker („Schloss“) Y Y krankes Gewebe oder Krankheitserreger Quelle: www.hessen-nanotech.de

Wirkstofftransport: Liposomen Liposomen sind nanoskalige Aggregate bestehnd aus einer Doppelschicht Phospholipid-Molekülen. Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und im Körper gezielt transportieren. Liposom Phospholipid-Molekül Die gleiche Funktion haben Micellen, Polymer-Nanopartikel, Polymer-Wirkstoff-Konjugate oder anorganische Nanopartikel. Beispiel: PEGASYS (Polymer-Protein-Konjugat). hydrophiler Kopf Micelle hydrophober Schwanz Quellen: Encyclopedia Britannica

Nanofiltration Micelle Nanoporöse Membran aus Silicium Semipermeable, nanoporöse Filtermembranen bilden wirksame Barrieren für Viren. Dadurch sinkt bei der Blutdialyse das Infektionsrisiko! 50 nm Quellen: wikipedia; Gambro

3. Nanomedizin: Anwendungen

Übersicht Nanoanalytik Selbstdiagnostika Lab-on-a-chip-Systeme Microarrays

Selbstdiagnostika negativ positiv Quellen: Migros; NANO-4-SCHOOLS

Lab-on-chip-Systeme Biochip mit Biosensor

Aufbau Biochip Quelle: thinXXS Microtechnology AG

Biosensor – Funktionsprinzip Quicklab Biotin Substrat gesuchte Probe (DNS) alkalische Phosphatase Phosphat aus Substrat Fänger-molekül Reduktions-Oxi-dationszyklus des Phosphates löst Stromfluss aus Goldelektroden Quelle: Pictures of the future. Herbst 2004

Biosensor auf Basis der Cantilevertechnik Binden passende Moleküle aus der Probe an ein Fängermolekül, führt dies zu einer Auslenkung des Cantilevers. Dies kann mit einem Laser gemessen werden. Cantilever werden mit Fängermolekülen bestückt. Quelle: Concentris

Microarrays – Gen-Chips 13 mm

Auswertung Microarrays I

Auswertung Microarrays II Quelle: www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/material/zelle/dna1/index.html

Auswirkungen der Miniaturisierung Komplexe Analysen dezentral, direkt in der Arztpraxis oder beim Patienten (Lab-on-a-chip Systeme) Einfache Bedienbarkeit Kleine Probemengen schnelle Resultate (Sekunden bis Minuten) Modulartiger Aufbau der Systeme erlaubt unterschiedliche Analysen mit dem gleichen Gerät Personalisierung der Medizin Kosteneinsparung (?)

Personalized Genomics – Sinn und Unsinn