¿Qué es la nanobiología?
La nanobiología incluye principalmente dos aspectos:
Primero, utilizar la nanotecnología emergente para resolver problemas biológicos y de investigación;
Segundo utilizar macromoléculas biológicas para fabricar dispositivos moleculares. imitar y crear máquinas moleculares similares a las macromoléculas biológicas. El objetivo final de la nanotecnología es crear máquinas moleculares, que se inspiran en la gran cantidad de macromoléculas biológicas de los sistemas biológicos, que Feynman y otros consideraban las máquinas moleculares de la naturaleza. En este sentido, la nanobiología debería ser un área central de la nanotecnología.
Utilizando las propiedades especiales del ADN y algunas proteínas especiales, es posible crear dispositivos moleculares. La investigación actual se centra en motores moleculares, sistemas de células nerviosas de silicio y nanosistemas y dispositivos relacionados con el ADN. Utilizando la nanotecnología, las personas han podido manipular macromoléculas biológicas individuales. La manipulación de macromoléculas biológicas se considera una de las tecnologías importantes que pueden desencadenar la segunda revolución biológica.
Aplicaciones en biología y medicina
El tamaño de las nanopartículas es generalmente mucho más pequeño que el de las células y los glóbulos rojos de los organismos vivos, lo que proporciona un nuevo enfoque a la investigación biológica. , utilizando nanopartículas para la separación y tinción de células y utilizando nanopartículas para fabricar medicamentos especiales o nuevos anticuerpos para terapias dirigidas locales. La investigación en este ámbito está todavía en sus inicios, pero tiene amplias perspectivas de aplicación.
Separación celular
La separación celular biológica es una tecnología muy importante en la investigación de citología biológica y está relacionada con la cuestión clave de si las muestras de células necesarias para la investigación se pueden obtener rápidamente. Esta tecnología de separación celular tiene amplias perspectivas de aplicación en el diagnóstico clínico médico. Por ejemplo, cuando una mujer tiene alrededor de 8 semanas de embarazo, comienzan a aparecer cantidades muy pequeñas de células fetales en la sangre. Para determinar si un feto tiene un defecto genético, se solían utilizar técnicas costosas y dañinas, como el diagnóstico del líquido amniótico. Las nanopartículas se utilizan para aislar fácilmente pequeñas cantidades de células fetales a partir de muestras de sangre. El método es sencillo, económico y puede determinar con precisión si las células fetales tienen defectos genéticos. Estados Unidos y otros países avanzados han adoptado esta tecnología para el diagnóstico clínico. El diagnóstico precoz del cáncer siempre ha sido un problema urgente en el campo médico. El científico estadounidense Liberty señaló que utilizando nanopartículas para la tecnología de separación celular, es posible detectar células cancerosas en la sangre en las etapas tempranas de los tumores y lograr un diagnóstico y tratamiento tempranos del cáncer. Al mismo tiempo, también están estudiando el uso de nanopartículas para detectar proteínas cardíacas en la sangre y ayudar a tratar enfermedades cardíacas. La tecnología de separación de nanocélulas traerá buenas noticias a la gente. La tecnología de separación celular anterior utilizaba principalmente centrifugación y el principio de gradiente de densidad para separar las células, pero el efecto se deterioró con el tiempo. A principios de la década de 1980, la gente empezó a utilizar nanopartículas para separar células y estableció una nueva tecnología que utiliza partículas de nanosílice para separar células. El principio y el proceso básicos son los siguientes: primero se preparan nanopartículas de sílice, cuyo tamaño se controla entre 15 y 20 nm, y la estructura es generalmente amorfa, y luego se recubre su superficie con una capa monomolecular. La elección del recubrimiento depende principalmente del tipo de células a separar. Generalmente se selecciona como capa de unión una sustancia con afinidad por las células a separar. El tamaño del compuesto formado al recubrir nanopartículas de sílice es de unos 30 nanómetros. El segundo paso es preparar una solución coloidal de polivinilpirrolidona que contenga una variedad de células y controlar adecuadamente la concentración de la solución coloidal. El tercer paso es dispersar uniformemente las partículas recubiertas de nanosílice en una solución coloidal de polivinilpirrolidona que contiene una variedad de células y luego separar rápidamente las células requeridas mediante tecnología de centrifugación y principios de gradiente de densidad. Las ventajas de este método son:
1. Es fácil formar un gradiente de densidad. El tamaño del nanorecubrimiento es de aproximadamente 30 nm, por lo que es fácil producir un gradiente de densidad de la solución coloidal mediante centrifugación. 2. Las partículas de nanosílice son fáciles de separar de las células. Esto se debe a que las partículas de nano-SiO_2 pertenecen a la categoría de vidrio inorgánico y tienen un rendimiento estable. Las partículas de nano-SiO_2 generalmente no reaccionan con soluciones coloidales y soluciones biológicas, ni contaminan las células biológicas ni son fáciles de separar.
Tinción intracelular
La tinción intracelular es una técnica muy importante para estudiar diversos tejidos intracelulares mediante microscopía óptica y microscopía electrónica. Desempeña un papel extremadamente importante en el estudio de la biología celular. Hay varios órganos y filamentos en las células. Los órganos incluyen mitocondrias, núcleos y cavidades. Hay tres tipos principales de filamentos, con diámetros de aproximadamente 6 a 20 nm.
Están entrecruzados en la célula para formar el sistema citoesquelético, que mantiene la forma de la célula y controla los cambios celulares, el movimiento, la división, el movimiento de los órganos y el flujo de protoplasma. Debido al bajo contraste de las células no teñidas, es difícil observar con microscopía óptica y electrónica, y también es difícil observar y distinguir órganos y sistemas esqueléticos dentro de las células. Para solucionar este problema, los físicos desarrollaron varias técnicas de teñido. Como el método de anticuerpos fluorescentes, el método de anticuerpos contra ferritina y el método de tinción con peroxidasa para mejorar el contraste del tejido celular observado bajo microscopio óptico y microscopio electrónico. Con el desarrollo de la investigación citológica, se requiere mejorar aún más la resolución de la observación de los tejidos intracelulares, lo que requiere la búsqueda de nuevos métodos de tinción. La aparición de nanopartículas proporciona nuevas formas de establecer nuevas tecnologías de teñido. Recientemente, el Dr. Demei y otros de Bélgica utilizaron éter, ácido ascórbico o una solución saturada de fósforo amarillo de citrato de sodio para reducir el oro de una solución acuosa de ácido cloroáurico (HAuCl'') para formar nanopartículas de oro con un rango de tamaño de 3 a 40 nm. Luego se preparan complejos de nanopartículas de oro-anticuerpo mezclando partículas ultrafinas de oro con anticuerpos o anticuerpos monoclonales prepurificados. Elegir el tipo de anticuerpo aquí es un paso importante en la preparación del complejo. La sensibilidad y afinidad de diferentes anticuerpos por diversos órganos intracelulares y tejidos óseos gS varían mucho. Basándonos en estas diferencias, podemos preparar una variedad de complejos de nanopartículas de oro-anticuerpo que se unen a varios órganos y sistemas esqueléticos dentro de las células, lo que equivale a marcar varios tejidos. Debido a que su contraste varía mucho bajo la microscopía óptica y electrónica, es fácil distinguir varios tejidos. Se trata de una técnica de tinción celular que utiliza nanopartículas.
Un gran número de estudios han demostrado que la unión entre nanopartículas y anticuerpos no es un enlace de valencia sino un enlace iónico de interacción de Coulomb débil. Por tanto, el proceso de preparación de complejos estables es relativamente complicado, pero si. Se seleccionan las condiciones apropiadas, se pueden preparar muchos complejos. Un complejo estable de nanopartículas y anticuerpos. El principio de tinción celular está relacionado con las propiedades ópticas de las partículas de oro metálico ultrafinas. En términos generales, es probable que la absorción y dispersión de la luz de partículas ultrafinas muestren sus propios colores característicos bajo el microscopio. Debido al pequeño tamaño de las nanopartículas, los niveles de energía de los electrones se dividen y la distancia entre los niveles de energía está relacionada con el tamaño de las partículas. Debido a que es probable que la transición desde un nivel de energía bajo absorba luz de una determinada longitud de onda, el modo de vibración atómica en la enorme superficie de la nanopartícula es diferente del que se produce dentro de la partícula. Su vibración de plasma también absorberá luz de una determinada longitud de onda. la interfaz entre la nanopartícula y el anticuerpo también absorberá luz de una determinada longitud de onda. Debido a las razones anteriores, los complejos de nanopartículas de oro-anticuerpo mostrarán un cierto color bajo la irradiación de luz blanca o luz monocromática. Los experimentos han confirmado que las nanopartículas de oro con un diámetro de más de 10 nm pueden observarse en color rojo en un campo brillante bajo un microscopio óptico.
Aplicaciones de las nanopartículas magnéticas recubiertas de superficie en medicina
Las nanopartículas magnéticas recubiertas de polímeros se pueden inyectar en organismos uniéndose a proteínas del exterior. Esta tecnología aún se encuentra en etapa experimental y ha superado ensayos clínicos en animales. Las nanopartículas magnéticas cargadas con polímeros y proteínas se utilizan como portadores de fármacos y luego se inyectan por vía intravenosa en animales (ratones, conejos blancos, etc.). ). Bajo el campo magnético externo redundante 2125)410 ', la navegación magnética de las nanopartículas hace que se muevan hacia la lesión, logrando así el propósito del tratamiento direccional. Este es el principio básico de las partículas magnéticas ultrafinas en aplicaciones farmacéuticas.
Aquí lo más importante es elegir un agente bioactivo. Según la diferencia en las cadenas de azúcar en la superficie de las células cancerosas y las células normales, este agente bioactivo solo tiene afinidad por las células cancerosas y es insensible a las células normales. Las nanopartículas magnéticas recubiertas de polímeros lograrían fines terapéuticos. Los experimentos clínicos con animales han demostrado que las nanopartículas magnéticas son las candidatas más prometedoras para el desarrollo de esta tecnología (las nanopartículas magnéticas de oro puro N5 y Co no son adecuadas para su uso debido a sus efectos cancerígenos). Por ejemplo, las partículas magnéticas de 10 a 50 nm están recubiertas en superficie con ácido metacrílico y tienen un tamaño de aproximadamente 200 nm. Las partículas submicrónicas pueden transportar proteínas, anticuerpos y fármacos para su uso en el diagnóstico y tratamiento del cáncer. Este tipo de tratamiento local es eficaz y tiene pocos efectos secundarios, por lo que es probable que se convierta en la dirección de tratamiento de su enfermedad. Sin embargo, todavía existen muchos problemas que afectan la aplicación de esta tecnología en humanos. Cómo evitar que la capa de polímero de recubrimiento se descomponga in vivo es una cuestión que deberá estudiarse en el futuro.
Las nanopartículas magnéticas se han utilizado con éxito en ensayos clínicos con animales para separar células cancerosas y células normales, mostrando sorprendentes perspectivas de aplicación.
Sabemos que después de la cirugía de cáncer y tumores, se requiere irradiación radiactiva para matar las células cancerosas restantes. Sin embargo, la irradiación a gran escala también puede dañar las células normales, especialmente las células de la médula ósea con función hematopoyética y del sistema inmunológico, que son extremadamente importantes para la vida. Por lo tanto, la médula ósea se extrae antes de la radioterapia y se inyecta después de la radioterapia, pero en muchos casos las células cancerosas se han diseminado a la médula ósea, por lo que es muy importante separar las células cancerosas del líquido de la médula ósea, de lo contrario, el líquido de la médula ósea que contiene las células cancerosas se dañarán.
La tecnología que utiliza partículas ultrafinas magnéticas para separar células cancerosas utiliza principalmente nanopartículas de Fe304'' con un diámetro de 3 μm, que están recubiertas con poliestireno y se utilizan en experimentos para separar células cancerosas del líquido de la médula ósea de ratón. El proceso específico se muestra en la Figura 4-8. Primero, se elimina de la oveja el anticuerpo anti-Fc de ratón (inmunoglobulina) y luego se combina con el recubrimiento de las partículas magnéticas antes mencionadas, como se muestra en la Figura 4-8A. Se extrajo líquido de la médula ósea de ratón que contenía células normales y células cancerosas y se agregaron anticuerpos monoclonales antineuroblastoma (células nerviosas cancerosas que no están completamente diferenciadas) producidos por híbridos de ratón. Este anticuerpo se une únicamente a las células cancerosas en el líquido de la médula ósea. Finalmente, los anticuerpos y las partículas magnéticas recubiertas se colocan en el líquido de la médula ósea, que sólo se une a las células cancerosas que transportan los anticuerpos. El dispositivo de separación magnética puede separar fácilmente las células cancerosas de la médula ósea, con un grado de separación superior al 99,9%.
Se aíslan células cancerosas del líquido de la médula ósea humana y se utilizan para tratar a los pacientes.