Nanomedizin modul

Swiss Nano-Cube

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen

Tel. +41 (0) 71 274 72 66, [email protected]

www.swissnanocube.ch

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für

Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere

Fachschulen

NanomedizinGesamtversion

© 2011 - Swiss Nano-Cube 2

1. Einführung

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse

Die Dimension des Nanometers

3

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse

0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100

nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm

mehrzellige Organismen

eukaryotische Zellen

Bakterien

Viren

org. Moleküle

Atome Makromoleküle

Zellorganellen

1 nm = 10-9 m

Die Dimension des Nanometers

4

Menschliches Haar

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: sinnesphysiologie.de / kt.infrarot.de / uni-saarland.de / NANO-4-SCHOOLS

0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100

nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm

menschliches Auge

Lichtmikroskopie

Elektronenmikroskopie

Rastersondenmikroskopie

mehrzellige Organismen

eukaryotische Zellen

BakterienVirenorg. Moleküle Atome

Makromoleküle

0.2 nm 0.2 μm 0.2 mm

Blick in die Nanowelt

5

© 2011 - Swiss Nano-Cube

Detektor (Photodiode)

piezogesteuerte Messeinheit mit Federbalken

Probe (Oberfläche = Topographie)

Laserstrahl

Quelle: Nanosurf 6

Das Rasterkraftmikroskop (AFM)

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: EMPA Topographie-Lernprogramm; almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

Alpenlandschaft (25 km2)

Reliefdarstellung einer sandgestrahlten Oberfläche (0.25 mm2) (AFM-Aufnahme)

STM-Aufnahme einer Kupferoberfläche (ca. 5 nm2)

7

Topographie: eine Frage der Grössenordnung


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.

8


Fünf Hauptanwendungsfelder

Wirkstofftransport Neue Therapien und Wirkstoffe In-vivo-Diagnostik In-vitro-Diagnostik Medizinische Implantate

9Quelle: Hessen-Nanotech Broschüre „Nanomedizin“ (Band 2)

Die meisten Firmen entwickeln Wirkstofftransportsysteme.

Aufgliederung der Unternehmen (weltweit) mit Nanomedizin-Aktivitäten nach Anwendungsfeldern. (Quelle: VDI Technolgoie-zentrum GmbH)


2. Anwendungen


Nanoroboter

11


Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept

Antimikrobielle Beschichtungen

Biosensoren

Nanoskalige Kontrastmittel

Nanokrebstherapie

Neuro-KopplungNanopartikel als Markerstoffe

Nanopartikel zum Wirkstofftransport

Lab-on-a-chip Systeme

Biokompatible Implantate

Theranostik

Tissue Engineering

Intelligente Drug Delivery-Systeme

Molekulare Krebs-früherkennung

Quelle: Hessen Nanotech „Nanomedizin“

0-5 Jahre 5-10 Jahre 10-15 Jahre

Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin

12

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: DiaCCon GmbH

Mit nanometergrossen Diamantpartikeln beschichtete Gelenkimplantate haben besonders gute Gleiteigenschaften und zeigen zudem eine stark verminderte Abriebsbildung.

> erhöhte Biokompatibilität und LangzeitstabilitätKnieprothese

Schenkelhalsprothese

Biokompatible Implantate

13

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: MagForce GmbH

Nano-Eisenpartikel lagern an die Zellen des Glioblastoms resp. werden in diese aufgenommen.

Nano-Eisenpartikel werden in das Tumorgewebe eingespritzt.

Mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes werden die magnetischen Nano-Eisenpartikel erwärmt, dadurch wird der Tumor zerstört!

Glioblastom: aggressiver, schnell wachsender Hirntumor

Nanokrebstherapie

14

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: www.hessen-nanotech.de

krankes Gewebe oder Krankheitserreger

Y Marker („Schloss“)YY

Y

Nanopartikel

z.B. Phosphor

Zielfindungsmolekül („Schlüssel“) z.B. Oligo-nukleotid oder Eiweiss

Kontrastmittel z.B. Lanthanide als Quantenpunkte (Dots)

Das Kontrastmittel und das Zielfindungsmolekül werden an einen Nanopartikel gekoppelt. Durch das Zielfindungsmolekül erfolgt die Anreicherung im kranken Gewebe oder auf einem Krankheitserreger.

Nanoskalige Kontrastmittel

15


Liposomen sind nanoskalige Aggregate bestehnd aus einer Doppelschicht Phospholipid-Molekülen.

Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und im Körper gezielt transportieren.

Die gleiche Funktion haben Micellen, Polymer-Nanopartikel, Polymer-Wirkstoff-Konjugate oder anorganische Nanopartikel.Beispiel: PEGASYS (Polymer-Protein-Konjugat).

hydrophober Schwanz

hydrophiler Kopf

Micelle

Phospholipid-Molekül

Liposom

Quellen: Encyclopedia Britannica

Wirkstofftransport: Liposomen

16

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: wikipedia; Gambro

Micelle

Semipermeable, nanoporöse Filtermembranen bilden wirksame Barrieren für Viren. Dadurch sinkt bei der Blutdialyse das Infektionsrisiko!

Nanoporöse Membran aus

Silicium

50 nm

Nanofiltration

17


3. Nanomedizin: Anwendungen


Selbstdiagnostika

Microarrays

Lab-on-a-chip-Systeme

Übersicht Nanoanalytik

19

© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Migros; NANO-4-SCHOOLS

negativ

positiv

Selbstdiagnostika

20


Biochip mit Biosensor

Lab-on-chip-Systeme

21


Aufbau Biochip

22Quelle: thinXXS Microtechnology AG


Goldelektroden

Fänger-molekül

gesuchte Probe (DNS)

Biotin

alkalische Phosphatase

Substrat

Phosphat aus Substrat

Reduktions-Oxi-dationszyklus des Phosphates löst Stromfluss aus

Quelle: Pictures of the future. Herbst 2004

Biosensor – Funktionsprinzip Quicklab

23


Cantilever werden mit

Fängermolekülen bestückt.

Binden passende Moleküle aus

der Probe an ein Fängermolekül,

führt dies zu einer Auslenkung des

Cantilevers. Dies kann mit einem

Laser gemessen werden.

Quelle: Concentris

Biosensor auf Basis der Cantilevertechnik

24


Microarrays – Gen-Chips

25

13 m

m


Auswertung Microarrays I

26


Auswertung Microarrays II

27Quelle: www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/material/zelle/dna1/index.html


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 (?)

Auswirkungen der Miniaturisierung

28


Personalized Genomics –Sinn und Unsinn

29

Technology

Nanomedizin modul