Nanomedizin-Modul Gesamtversion PowerPoint
Werbung
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Nanomedizin Gesamtversion Swiss Nano-Cube Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen Tel. +41 (0) 71 278 02 04, [email protected] www.swissnanocube.ch 1. Einführung © 2014 - Swiss Nano-Cube 1 Die Dimension des Nanometers © 2014 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse 2 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 Menschliches Haar Makromoleküle Atome Zellorganellen eukaryotische Zellen org. Moleküle mehrzellige Organismen Viren © 2014 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse 3 Blick in die Nanowelt 0.2 μm 0.2 nm 0.2 mm menschliches Auge Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie Rastersondenmikroskopie 0.1 1 10 nm nm nm Atome org. Moleküle Makromoleküle © 2014 - Swiss Nano-Cube Viren 100 1 10 100 nm μm μm μm Bakterien 1 10 mm mm 100 mm mehrzellige Organismen eukaryotische Zellen Quellen: sinnesphysiologie.de / kt.infrarot.de / uni-saarland.de / NANO-4-SCHOOLS 4 Das Rasterkraftmikroskop (AFM) Detektor (Photodiode) Laserstrahl piezogesteuerte Messeinheit mit Federbalken Probe (Oberfläche = Topographie) © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: Nanosurf 5 Topographie: eine Frage der Grössenordnung Reliefdarstellung einer sandgestrahlten Oberfläche (0.25 mm2) (AFM-Aufnahme) Alpenlandschaft (25 km2) STM-Aufnahme einer Kupferoberfläche (ca. 5 nm2) © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: EMPA Topographie-Lernprogramm; almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html 6 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. © 2014 - Swiss Nano-Cube 7 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 NanomedizinAktivitäten nach Anwendungsfeldern. (Quelle: VDI Technolgoie-zentrum GmbH) © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: Hessen-Nanotech Broschüre „Nanomedizin“ (Band 2) 8 2. Anwendungen © 2014 - Swiss Nano-Cube 9 Nanoroboter © 2014 - Swiss Nano-Cube 10 Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin Biosensoren Molekulare Krebsfrüherkennung Nanokrebstherapie Antimikrobielle Beschichtungen Neuro-Kopplung Nanopartikel als Markerstoffe Biokompatible Implantate Lab-on-a-chip Systeme Nanoskalige Kontrastmittel Intelligente Drug DeliverySysteme Nanopartikel zum Wirkstofftransport Verbreitung am Markt © 2014 - Swiss Nano-Cube Tissue Engineering Theranostik Markteintritt Prototyp Konzept 0-5 Jahre 5-10 Jahre 10-15 Jahre Quelle: Hessen Nanotech „Nanomedizin“ 11 Biokompatible Implantate Schenkelhalsprothese Mit nanometergrossen Diamantpartikeln beschichtete Gelenkimplantate haben besonders gute Gleiteigenschaften und zeigen zudem eine stark verminderte Abriebsbildung. Knieprothese © 2014 - Swiss Nano-Cube > erhöhte Biokompatibilität und Langzeitstabilität Quelle: DiaCCon GmbH 12 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! © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: MagForce GmbH 13 Nanoskalige Kontrastmittel Kontrastmittel z.B. Lanthanide als Quantenpunkte (Dots) Zielfindungsmolekül („Schlüssel“) z.B. Oligonukleotid oder Eiweiss Das Kontrastmittel und das Zielfindungsmolekül werden an einen Nanopartikel gekoppelt. Durch das Zielfindungsmolekül erfolgt die Anreicherung im kranken Gewebe oder auf einem Krankheitserreger. Marker („Schloss“) krankes Gewebe oder Krankheitserreger © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: www.hessen-nanotech.de 14 Wirkstofftransport: Liposomen Liposomen sind nanoskalige Aggregate bestehnd aus einer Doppelschicht Phospholipid-Molekülen. Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und im Körper gezielt transportieren. Liposom PhospholipidMolekül hydrophiler Kopf Micelle Die gleiche Funktion haben Micellen, Polymer-Nanopartikel, PolymerWirkstoff-Konjugate oder anorganische Nanopartikel. Beispiel: PEGASYS (PolymerProtein-Konjugat). hydrophober Schwanz © 2014 - Swiss Nano-Cube Quellen: Encyclopedia Britannica 15 Nanofiltration Micelle Nanoporöse Membran aus Silicium Semipermeable, nanoporöse Filtermembranen bilden wirksame Barrieren für Viren. Dadurch sinkt bei der Blutdialyse das Infektionsrisiko! © 2014 - Swiss Nano-Cube Quellen: wikipedia; Gambro 50 nm 16 3. Nanomedizin: Anwendungen © 2014 - Swiss Nano-Cube 17 Übersicht Nanoanalytik Selbstdiagnostika Lab-on-a-chipSysteme Microarrays © 2014 - Swiss Nano-Cube 18 Selbstdiagnostika negativ positiv © 2014 - Swiss Nano-Cube Quellen: Migros; NANO-4-SCHOOLS 19 Lab-on-chip-Systeme Biochip mit Biosensor © 2014 - Swiss Nano-Cube 20 Aufbau Biochip © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: thinXXS Microtechnology AG 21 Biosensor – Funktionsprinzip Quicklab Biotin Substrat gesuchte Probe (DNS) alkalische Phosphatase Phosphat aus Substrat Fängermolekül Reduktions-Oxidationszyklus des Phosphates löst Stromfluss aus Goldelektroden © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: Pictures of the future. Herbst 2004 22 Biosensor auf Basis der Cantilevertechnik Cantilever werden mit Fängermolekülen bestückt. © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: Concentris Binden passende Moleküle aus der Probe an ein Fängermolekül, führt dies zu einer Auslenkung des Cantilevers. Dies kann mit einem Laser gemessen werden. 23 13 mm Microarrays – Gen-Chips © 2014 - Swiss Nano-Cube 24 Auswertung Microarrays I © 2014 - Swiss Nano-Cube 25 Auswertung Microarrays II © 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/material/zelle/dna1/index.html 26 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 (?) © 2014 - Swiss Nano-Cube 27 Personalized Genomics – Sinn und Unsinn © 2014 - Swiss Nano-Cube 28
