University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics. ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική. Νανοϊατρική και Εξατομικευμένη Ιατρική

Transcript

1 University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική Νανοϊατρική και Εξατομικευμένη Ιατρική

2 Νανο Τι;;; 2

3 Νανο Τι;;; Richard Feinman Υπάρχει πολύς χώρος από κάτω μικροσκοπικές μηχανές (από μόρια) που να αντιγράφονται και να επισκευάζονται από μόνες τους και να χειρίζονται τα υλικά άτομο με άτομο δεν είναι αδύνατο, απλώς δεν τα καταφέραμε γιατί είμαστε πολύ μεγάλοι.. Βραβείο Νόμπελ Φυσική 1965 Νανοτεχνολογία Η μελέτη του ελέγχου της ύλης σε ατομικό/μοριακό επίπεδο Δομές < 100 nm 3

4 Νανο Τι;;; Νανοτεχνολογία: Τεχνολογία διαστάσεων nm Νανόμετρο = 10-9 m (1 δισεκατομυριοστό) 4

5 Νανο Τι;;; Μια τρίχα Διάμετρος = 0.1 mm = 100 μικρόμετρα = 100,000 νανόμετρα! 5

6 Soft x-ray Nanoworld Microworld Ultraviolet Visible Infrared Microwave Η Κλίμακα των Πραγμάτων Νανόμετρα και βάλε Δομές στη Φύση 10-2 m 1 cm 10 mm Τεχνητές Δομές Head of a pin 1-2 mm The Challenge Ant ~ 5 mm 10-3 m 1,000,000 nanometers = 1 millimeter (mm) Dust mite 200 mm 10-4 m 0.1 mm 100 mm MicroElectroMechanical (MEMS) devices mm wide Human hair ~ mm wide Red blood cells (~7-8 mm) Fly ash ~ mm 10-5 m 10-6 m 0.01 mm 10 mm 1,000 nanometers = 1 micrometer (mm) Pollen grain Red blood cells Zone plate x-ray lens Outer ring spacing ~35 nm O O S P O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O S S S S S S S 10-7 m 0.1 mm 100 nm Fabricate and combine nanoscale building blocks to make useful devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage. ~10 nm diameter ATP synthase 10-8 m 0.01 mm 10 nm Self-assembled, Nature-inspired structure Many 10s of nm Nanotube electrode DNA ~2-1/2 nm diameter Atoms of silicon spacing nm 10-9 m m 1 nanometer (nm) 0.1 nm Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm Carbon buckyball ~1 nm diameter Carbon nanotube ~1.3 nm diameter 6 Office of Basic Energy Sciences Office of Science, U.S. DOE Version , pmd

7 Γιατί;;; Γιατί θέλουμε να κάνουμε τα πράγματα τόσο μικρά; Για να φτιάξουμε καλύτερα προϊόντα; Μικρότερα, φθηνότερα, γρηγορότερα, και πιο αποδοτικά. Π.χ. Ηλεκτρονικά, Χημικά, Καθαρισμός του νερού, Φωτοβολταϊκά, ιατρικές διαγνώσεις και θεραπεία, κλπ. Για να εκμεταλλευτούμε καινούργια φυσικά φαινόμενα στις επιστήμες και την τεχνολογία. Κβαντική συμπεριφορά, και άλλα 7

8 Μαθήματα της Φύσης Ιοί (Tobacco Mosaic) wisc.edu nih.gov 8

9 Μαθήματα της Φύσης 9

10 Μαθήματα της Φύσης 10

11 Μαθήματα της Φύσης Εργοστάσιο αυτό-συναρμολογούμενης νανοτεχνολογίας 11

12 Μαθήματα της Φύσης Από πότε έχουμε εφαρμογές της νανοτεχνολογίας; 12

13 Οι Πολλές Εφαρμογές Νανοτεχνολογίας Τεχνολογίες Πληροφορίας Μηχανική Ρομποτική Βιοτεχνολογία Μεταφορές Υλικά Ρουχισμός Νανοτεχνολογία Ασφάλεια Άμυνα Ενέργεια Περιβάλλον Αεροναυπηγική Ιατρική Υγεία Γεωργία Τρόφιμα 13

14 Η Νανοτεχνολογία στην Αγορά Πόσα ξοδεύουμε στην αγορά νανοτεχνολογικών προϊόντων; Περίπου $ 80 δισ. αξίας προϊόντα χρησιμοποιούσαν νανοτεχνολογία στις ΗΠΑ το Η κυριότερη κατηγορία είναι: Καταναλωτικά προϊόντα Forbes Top 10 Προϊόντα Νανοτεχνολογίας 2005 ipod Nano Canola Active O Lala Foods Choco la Chewing Gum Zelens Fullerene C-60 Face Cream Easton Sports Stealth CNT Bat Casual Apparel-Nanotex ArcticShield Socks- odor and fungus resistant Behr NanoGuard Paint Pilkington Active Glass NanoBreeze Air Purifier 160 GB 14

15 Νανοϊατρική Ιατρικές εφαρμογές της νανοτεχνολογίας Στόχος της νανοϊατρικής είναι να βελτιώσει τη διάγνωση θεραπεία και πρόληψη των ασθενειών Τι δεν είναι νανοϊατρική; Νανορομπότ που τρώνε/επιδιορθώνουν ιστούς Όχι ακόμη!!! 15

16 Νανοϊατρική Η νανοϊατρική έχει τη δυνατότητα να παράσχει Προηγμένα συστήματα χορήγησης φαρμάκων Νέες θεραπείες Απεικόνιση σε ζώντες οργανισμούς Διασυνδέσεις νευρώνων-ηλεκτρονικών Βιοαισθητήρες Ίσως στο μέλλον και... μηχανές επισκευής κυττάρων Έρευνα στη νανοϊατρική Πρόληψη και έλεγχος: Π.χ. ανάπτυξη παραγόντων πρόληψης του καρκίνου και σχεδιασμός πολυσύνθετων αντικαρκινικών εμβολίων Έγκαιρη ανίχνευση: Π.χ. ανάπτυξη έξυπνων πλατφόρμων για την ταυτόχρονη ανάλυση μεγάλου αριθμού δεικτών που σχετίζονται με τον καρκίνο Διαγνωστική απεικόνιση: Π.χ. σχεδιασμός στοχευμένων παραγόντων αντίθεσης που να βελτιώνουν την ευκρίνεια απεικόνισης του καρκίνου σε ένα μονό κύτταρο Πολύ-λειτουργικές Θεραπείες: Π.χ. δημιουργία θεραπευτικών δομών που να βελτιστοποιούν τη διανομή και να ελέγχουν την απελευθέρωση πολλαπλών φαρμάκων κατά του καρκίνου 16

17 Νανοϊατρική Το ενδιαφέρον στην περιοχή αυξάνεται εκθετικά ~$ 4 δισ. επενδύονται στην έρευνα Πωλήσεις 7 δισ. το εταιρίες Η χορήγηση φαρμάκων είναι η πιο εδραιωμένη τεχνολογία στην αγορά της νανοϊατρικής 130 συστήματα χορήγησης φαρμάκων είναι υπό ανάπτυξη... Nature Biotechnology 2006, Vol. 4, pp

18 Ιατρικές Χρήσεις: Χορήγηση Φαρμάκων Χορήγηση Φαρμάκων (Drug delivery) Τα νανοσωματίδια εύκολα προσλαμβάνονται από τα κύτταρα λόγω του μεγέθους τους Μπορεί επίσης να παραδώσουν υδρόφοβο/υδρόφιλο φάρμακο σε αντίθετο περιβάλλον Στοχευμένα νανοσωματίδια θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη διαθεσιμότητα του φαρμάκου στα κύτταρα που το χρειάζονται περισσότερο Η στόχευση είναι ένα τεράστιο πρόβλημα: $ 65 δισεκατομμύρια χάνονται κάθε χρόνο εξαιτίας της κακής στόχευσης Περισσότερα για τη στόχευση σε λίγο... Θα μπορούσαν να επιτρέψουν χαμηλότερες δόσεις που να είναι πολύ πιο αποτελεσματικές, λόγω της στόχευσης Λιγότερο τοξικές (λιγότερες ανεπιθύμητες παρενέργειες) Λιγότερο δαπανηρές 18

19 Συγκέντρωση του φαρμάκου στον ασθενή Ιατρικές Χρήσεις: Χορήγηση Φαρμάκων Φάρμακα εμπερικλείονται σε νανοκέλυφος για αποτελεσματικότερη μεταφορά Κελύφη νανοσωματιδίων A.D. Dinsmore, et al., Science (2002), Y. Lin, et al., Science (2003) Ενθυλάκωση υδρόφοβων φαρμάκων Δύσκολο να εισαχθούν ελεύθερα στο υδατικής βάσης ανθρώπινο σώμα Ρυθμίζοντας τις οπές μεταξύ των νανοσωματιδίων Περίπου το ίδιο μέγεθος με το φάρμακο σταθερός ρυθμός απελευθέρωσης αποφεύγονται κορυφές στη δοσολογία. Μεταβαλλόμενο μέγεθος μπορούν να ανοίξουν εκεί που χρειάζεται και να παραδώσουν στοχευμένα το φάρμακο A: Scanning electron microscope of a dried 10-μm-diameter colloidosome composed of 0.9- μm-diameter polystyrene spheres. Συνήθης Χορήγηση με Διάχυση Χορήγηση με Ενθυλάκωση σε νανοκελύφος Χρόνος 19

20 Ιατρικές Χρήσεις: Χορήγηση Φαρμάκων Targeting is a huge issue: $65 δισ. ξοδεύονται άδικα λόγω ανεπαρκούς στόχευσης κάθε χρόνο Νανοσωματίδια για στοχευμένη χορήγηση Μπορεί να είναι μεταλλικά, πολυμερή, ή λιπίδια Το φάρμακο περικλείεται στο νανοσωματίδιο και ενεργοποιείται με ειδικό αντίσωμα Το αντίσωμα αναγνωρίζει τον στόχο (καρκινικά κύτταρα) Το νανοσωματίδιο προσκολλάται στην κυτταρική μεμβράνη και εισχωρεί στο κύτταρο Μέσα στο κύτταρο το νανοσωματίδιο διασπάται από τα ένζυμα του κυττάρου και απελευθερώνει το φάρμακο 20

21 Ιατρικές Χρήσεις: Χορήγηση Φαρμάκων Πρώτο Εγκεκριμένο Νανοφάρμακο για τον Καρκίνο - Abraxane Εγκεκριμένο για καρκίνο του μαστού Πακλιταξέλη δεσμευμένη σε λευκωματίνη Πακλιταξέλη - ισχυρό αντικαρκινικό φάρμακο - όχι υδατοδιαλυτό Το Abraxane είναι υδατοδιαλυτό - μειώνει την θεραπεία σε 30 λεπτά από 3 ώρες Αυξάνει τη δόση και μειώνει και τις παρενέργειές ~ 130 nm 21

22 Ιατρικές Χρήσεις: Αντι-μικροβιακές Επιφάνειες Διατηρώντας τα πράγματα καθαρά - αντιμικροβιακές επιφάνειες Ο άργυρος είναι ένας εξαιρετικός αντιμικροβιακός παράγοντας Νανοσωματίδια αργύρου προστίθενται σε ίνες ειδών ένδυσης και επιδέσμους και ενσωματώνονται σε επιφάνειες στα νοσοκομεία μειώνεται το ποσοστό τωνβακτηριακών λοιμώξεων Όταν συνεξωθείται με ένα πολυμερές, ο άργυρος απελευθερώνεται αργά με την πάροδο του χρόνου και έχει αποδειχθεί ότι σκοτώνει αποτελεσματικά τα βακτήρια 22

23 Ιατρικές Χρήσεις: Διάγνωση Εργαστήριο σε ένα Τσιπ (lab-ona-chip) Στόχος είναι να αναπτυχθούν φορητές συσκευές διάγνωσης για εξατομικευμένες ιατρικές εξετάσεις και θεραπεία Συνδυασμος Μικρο-ρευστά (Microfluidics) Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS) Μικρο-Συστοιχίες (Micro-Array) Λέιζερ Ανιχνευτές κλπ 23

24 Ιατρικές Χρήσεις: Διάγνωση Έρευνα στο Πανεπιστήμιο Κύπρου Φασματοσκοπία Raman Ενισχυμένη με Νανοσωματίδια Χρήση των νανοσωματιδίων και λέιζερ για ευαίσθητες μετρήσεις φασματοσκοπίας των χημικών δεσμών Επιστημονικά Έργα Διάγνωση ουρολοίμωξης και ευαισθησίας στα αντιβιοτικά Σε 2 ώρες αντί 2 ημέρες 93,75% ποσοστό σωστής κατηγοριοποίησης 90% σωστός έλεγχος αντιβιοτικού Ανάλυση Τροφίμων Ταυτοποίηση θρεπτικών στοιχείων (15% σφάλμα) Καθορισμός αλλοίωσης ή νόθευσης Διάγνωση μολύνσεων 24

25 Ιατρικές Χρήσεις: Χειρουργικές Εφαρμογές Φωτοδυναμική θεραπεία: Νανοσωματίδια συγκεντρώνονται στα καρκινικά κύτταρα Τα καταστρέφουν όταν θερμανθούν χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός Μη επεμβατική Δεν είναι τοξική σε άλλους ιστούς, όπως η χημειοθεραπεία 25

26 Θεραγνωστική & Εξατομικευμένη Θεραπεία Θεραγνωστική Όλα-σε-ένα (διάγνωση, θεραπεία, παρακολούθηση) Εξατομικευμένη Θεραπεία Εξατομικευμένη στα χαρακτηριστικά του καρκίνου (ή άλλης ασθένειας) και του ασθενή 26

27 Εξατομικευμένη Θεραπεία Οι ρίζες της εξατομικευμένης θεραπείας Είναι πιο σημαντικό να γνωρίζεις τι είδους άτομο έχει την ασθένεια, παρά τι ασθένεια έχει το άτομο. Ιπποκράτης (400 π.χ.) Σήμερα Ζούμε μια νέα εποχή των επιστημών της υγείας, αλλά κανένας άλλος τομέας της έρευνας δεν υπόσχεται τόσα πολλά όσα η εξατομικευμένη ιατρική. Barack Obama (ως Γερουσιαστής) για US Genomics and Personalized Medicine Act 2007 Σχεδιάζεται να δαπανηθούν $ 416 εκατ. για ένα τετραετές σχέδιο που ανακοινώθηκε το Δεκέμβριο του 2011 από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ. Το ενδιαφέρον του ιδιωτικού τομέα είναι επίσης έντονο. 27

28 Ries LAG, Eisner MP, Kosary CL, Hankey BF, Miller BA, Clegg L, Mariotto A, Feuer EJ, Edwards BK (eds). SEER Cancer Statistics Review, , National Cancer Institute. Bethesda, MD, based on Nov 2004 SEER data submission, posted to 28 the SEER web site Εξατομικευμένη Θεραπεία Η ΕΘ σώζει ζωές! 100 Years Ago 80 Years Ago Disease of the Blood 5 Year Survival ~ 0% 60 Years Ago Leukemia or Lymphoma Chronic Leukemia Acute Leukemia Preleukemia Indolent Lymphoma Aggressive Lymphoma Today 38 Leukemia types identified: 51 Lymphomas identified: Acute myeloid leukemia ( 12 types) Mature B-cell lymphomas ( 14 types) Acute lymphoblastic leukemia (2 types) Mature T-cell lymphomas (15 types) Acute promyelocytic leukemia (2 types) Plasma cell neoplasm (3 types) Acute monocytic leukemia (2 types) Immature (precursor) lymphomas (2 types) Acute erythroid leukemia (2 types) Hodgkin s lymphoma (5 types) Acute megakaryoblastic leukemia Immunodeficiency associated lymphomas ( 5 types) Acute myelomonocytic leukemia (2 types) Other hematolymphoid neoplasms ( 7 types) Chronic myeloid leukemia Chronic myeloproliferative disorders (5 types) Myelodysplastic syndromes (6 types) Mixed myeloproliferative/myelodysplastic syndromes (3 types) 70%

29 Εξατομικευμένη Θεραπεία Στο παρελθόν Ιατρική δοκιμής και λάθους Παραδοσιακά οι γιατροί βασίζονταν: Ιατρικό ιστορικό Κλινική εξέταση Κοινωνικοοικονομικές συνθήκες Περιβαλλοντικούς παράγοντες Αλλά Τα πιο πολλά φάρμακα δεν έχουν επίδραση ή έχουν μειωμένη επίδραση στο 60 % των ασθενών Οι παρενέργειες είναι υπεύθυνες (στις ΗΠΑ) για 100,000 θανάτους 2 εκατ. εισαγωγές σε νοσοκομεία $100 δισ. κόστος για το σύστημα υγείας 50% των περιπτώσεων έχει να κάνει με το γενότυπο! Observation Action Response Effect Hypertension Drugs 10-30% ACE Inhibitors Heart Failure Drugs 15-25% Beta Blockers Anti Depressants 20-25% SSRIs Cholesterol Drugs 30-70% Statins Asthma Drugs 40-70% β2-agonists Patients in hospitals 6.7% Experiencing serious drug reactions Αποδοτικότητα Φαρμάκων 29

30 Εξατομικευμένη Θεραπεία Στο μέλλον (και στο παρόν) Χρήση πληροφοριών και δεδομένων που προέρχονται από τον γονότυπο και τον φαινότυπο (επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης ή/και κλινικές πληροφορίες) ενός ασθενούς για διαστρωμάτωση της ασθένειας επιλογή φάρμακου παροχή θεραπείας εισαγωγή προληπτικών μέτρων τα οποία να είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τον συγκεκριμένο ασθενή κατά το χρόνο χορήγησης Η εξατομικευμένη ιατρική λαμβάνει υπόψη τις ατομικές γενετικές διαφορές Όλες τις πληροφορίες όπως και πριν και επιπρόσθετα: γονιδιωματικές / γενετικές εξετάσεις πρωτεομικό προφίλ μεταβολομική ανάλυση (μελέτη των μεταβολίτων) 30

31 Εξατομικευμένη Θεραπεία Στο μέλλον (και στο παρόν) Διασύνδεση διαγνωστικών τεστ τη δράση και τη θεραπεία Τέλος στον κύκλο ιατρικής με Δοκιμή-Λάθος Οι Διαγνωστικές Εξετάσεις Παρελθόν Τεστ στο Μακρο-Επίπεδο Τεστ για διαφοροποίηση της ασθένειας από τη μηασθένεια Ασθένεια που ορίζεται από τη θέση και το μέγεθος Παρόν Τεστ στο Μοριακό Επίπεδο Ασθένεια ορίζεται από τη βιολογία ή/και το DNA του όγκου ή ιού Τεστ για κατανομή της ασθένειας σε υποκατηγορίες Πρόβλεψη των αποτελεσμάτων των ειδικών θεραπειών Παρακολούθηση για ανεπιθύμητες παρενέργειες Παρακολούθηση της ασθένειας Μέλλον - Προσυμπτωματικός έλεγχος Πολλαπλές τεχνολογικές πλατφόρμες απαιτούνται για υψηλή αναλυτική εγκυρότητα Πολυπαραγοντικά τεστ για κοινές, πολύπλοκες ασθένειες Ταυτοποίηση πολλαπλών γονιδίων για τον καρκίνο Νέα Είδη Δειγμάτων - ούρα, σάλιο, αναπνοή, άλλα; Αυξημένη χρήση διαγνωστικής απεικόνισης Observation Test Action Predictable Response 31

32 Εξατομικευμένη Θεραπεία Παράδειγμα: Μεταστατικός καρκίνος του παχέως εντέρου 40% των ασθενών παρουσιάζουν μετάλλαξη στο ογκογονίδιο kras Δεν ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες θεραπείες με αντισώματα Έλεγχος για την μετάσταση πριν τη θεραπεία 40% των ασθενών δεν παίρνουν τη θεραπεία αποφεύγουν τις παρενέργειες από μια μη αποτελεσματική θεραπεία Το συνολικό ποσοστό επιτυχίας είναι αμετάβλητο στο 25% Μείωση κατά 60% του κόστους ανά επιτυχία $200,000 $150,000 $100,000 $50,000 Erbitux Treatment Cost Comparisons with and without Testing to Direct Personalized Treatment $0 kras Testing Treat All With kras Testing Without kras Testing $38,000 $22,800 Average Treatment Cost (per person) $97,022 Do Not Treat Treat with Erbitux Treatment Success $156,554 Average Treatment Cost (per success) 32

33 Εξατομικευμένη Θεραπεία 33

34 Η Αγορά της Νανοϊατρικής Παγκόσμια αγορά νανοϊατρικής $43.2 δισ. το 2010 $50.1 δισ. το 2011 $96.9 δισ. το 2016 Ετήσιος ρυθμός αύξησης 14.1% μεταξύ 2011 και Αγορά αντικαρκινικών σκευασμάτων $4.7 δισ. το 2010 $5.5 δισ. το 2011 $12.7 δισ. το 2016 Ετήσιος ρυθμός αύξησης 18.2% μεταξύ 2011 και > 200 εταιρίες 20 > 130 συστήματα χορήγησης φαρμάκων 10 είναι υπό ανάπτυξη 0 Αλλά και αυξημένο κόστος New Drug Approvals PhRMA R&D Spending

35 FDA Approved 35

36 Τι επιφυλάσσει το μέλλον; Νανορομπότ; Μηχανές νανο-μεγέθους που θα μπορούσαν να ενεργοποιούνται με φως για να κάνουν πράγματα μέσα στο σώμα μας... π.χ. νανοαυτοκίνητο 4 nm 36

37 Ανησυχίες και Ηθικά Ζητήματα Ανησυχίες / Κίνδυνοι Χημικές αντιδράσεις Τοξικότητα Ανοσολογική απόρριψη Θέματα ελέγχου Ηθικά ζητήματα Πιθανές ιατρικές ανακαλύψεις - κίνδυνοι Πιθανές επιστημονικές/κοινωνικές αποτυχίες Πώς μπορούμε να ζυγίσουμε το κόστος και τα οφέλη για την κοινωνία από τη νανοϊατρική; Σενάρια νανοτρόμου Υπεράνθρωποι Αυτό-αναπαραγόμενα Νάνο Ρομπότ Μια απειλή για την ύπαρξη των ανθρώπινων όντων 37