ננו-רפואה

ננו-רפואה הוא תחום העוסק ביישום רפואי של ננוטכנולוגיה. זהו היישום הרפואי של ננוטכנולוגיה. ננו-רפואה נעה בין יישומים רפואיים של ננו-חומרים והתקנים ביולוגיים (BioBrick) ועד חיישנים ביולוגיים ננו-אלקטרוניים, ויישומים עתידיים אפשריים של ננו-טכנולוגיה מולקולרית (Molecular nanotechnology) כגון מכונות מולקולריות. הבעיות הנוכחיות של ננו-רפואה כוללות הבנת הנושאים הקשורים לננו-טוקסיקולוגיה והשפעה סביבתית של חומרים ננו-מטריים (חומרים שהמבנה שלהם הוא בקנה מידה של ננומטר).

פיתוחים של ננו-רפואה משמשים כיום בטיפול במחלת הסרטן, מחלת כליות, רפואת שיניים, טרשת עורקים, קרישי דם ועוד. ננו-רפואה משמשת לאבחון מחלות, טיפול ומניעה תוך שימוש בהתקנים המבוססים על חלקיקים זעירים בקנה מידה ננומטרי, המורכבים מחומרים סינתטיים וביולוגיים. המטרה היא כי בעתיד, התקנים אלו יהיו מסוגלים לזהות ולחדור ספציפית לתוך רקמות ותאים פגועים, לצלם אותם, לשחרר לתוכם תרופות או להשמיד אותם בעת הצורך.

היסטוריה

בדצמבר 1959 הרצה חתן פרס נובל לפיזיקה, ריצ'רד פיינמן, הרצאה בשם "יש שפע מקום בתחתית" בפני החברה האמריקאית לפיזיקה.

(American Physical Society) בהרצאה זו ציין מספר יישומים אפשריים ליכולת לשלוט על אטומים בודדים. בין היתר, הוצעה בניית ננו-מכונות שיוכלו לסדר אטומים כרצונן. באותה ההרצאה הוא דיבר גם על הרעיון של "לבלוע את הדוקטור", בהתייחסו לננו-תרופות.

ייתכן ואתגרים העומדים בפני הרפואה המודרנית יוכלו להיפתר בעזרת פיתוח הננו-רפואה. לדוגמה, פיתוח אמצעים חכמים לשיגור תרופות אשר יאפשרו התבייתות ספציפית על תא המטרה ומתן תרופות במינון מדויק יותר. באמצעים אלו ניתן יהיה למנוע תופעות לוואי הנגרמות כתוצאה משימוש בתרופות הקיימות כיום. בנוסף, ניתן יהיה לפתח שיטות אבחון רגישות שיוכלו לשמש לגילוי מוקדם של מצבים פתולוגיים וכן לשפור פרוגנוזה של חולים. תחום נוסף הוא פיתוח כלים לטיפול ברמה התאית, כגון תיקון גנים פגומים וכן קידום רפואה מותאמת אישית.

ניתן להוסיף פונקציות לננו-חומרים על-ידי מציאת ממשק עם מולקולות או מבנים ביולוגיים. גודלם של ננו-חומרים דומה לזה של רוב המולקולות והמבנים הביולוגיים; לכן, ננו-חומרים יכולים להיות שימושיים עבור מחקר ביו-רפואי ויישומים in vivo ו-in vitro. עד כה, השילוב של ננו-חומרים עם ביולוגיה הוביל לפיתוח מכשירי אבחון, חומרי ניגוד, כלים אנליטיים, יישומי פיזיותרפיה ואמצעים להעברת תרופות.

הננוטכנולוגיה סיפקה את האפשרות לספק תרופות לתאים ספציפיים באמצעות ננו-חלקיקים. שימוש זה במערכות מתן תרופות הוצע לראשונה על ידי גרגורי גרגוריאדיס בשנת 1974, אשר תיאר ליפוזומים כמערכת מתן תרופות לכימותרפיה. צריכת התרופות הכוללת ותופעות הלוואי עשויות להיות מופחתות באופן משמעותי על ידי הפקדת התרופה הפעילה באזור החולה בלבד וללא מינון גבוה מהנדרש. מתן תרופות ממוקד נועד להפחית את תופעות הלוואי של תרופות במקביל לירידה בהוצאות הצריכה והטיפול. בנוסף, אספקת תרופות ממוקדת מפחיתה את תופעות הלוואי של תרופות גולמיות או טבעיות על ידי מזעור חשיפה לא רצויה לתאים בריאים. מתן תרופות מתמקד במקסום הזמינות הביולוגית הן במקומות ספציפיים בגוף והן לאורך תקופה. זה יכול להיות מושגת על ידי מיקוד מולקולרי על ידי מכשירים מהונדסים ננו. היתרון של שימוש בקנה מידה ננומטרי עבור טכנולוגיות רפואיות הוא שמכשירים קטנים יותר פולשניים פחות וייתכן שניתן להשתיל אותם בתוך הגוף, בנוסף זמני התגובה הביוכימיים קצרים בהרבה. מכשירים אלה מהירים ורגישים יותר מאשר מתן תרופות טיפוסיות. היעילות של אספקת תרופות באמצעות ננו-רפואה מבוססת במידה רבה על אנקפסולציה יעילה של התרופות, אספקה מוצלחת של התרופה לאזור היעד של הגוף, ושחרור מוצלח של התרופה למקום היעד.

אספקת תרופות לרקמות

הננוטכנולוגיה סיפקה את האפשרות לספק תרופות לתאים ספציפיים באמצעות ננו-חלקיקים. שימוש זה במערכות למתן תרופות הוצע לראשונה על ידי הננוטכנולוגיה סיפקה את האפשרות לספק תרופות לתאים ספציפיים באמצעות ננו-חלקיקים. שימוש זה במערכות מתן תרופות הוצע לראשונה על ידי גרגורי גרגוריאדיס בשנת 1974, אשר תיאר ליפוזומים כמערכת מתן תרופות לכימותרפיה. צריכת התרופות הכוללת ותופעות הלוואי עשויות להיות מופחתות באופן משמעותי על ידי הפקדת התרופה הפעילה באזור החולה בלבד וללא מינון גבוה מהנדרש. מתן תרופות ממוקד נועד להפחית את תופעות הלוואי של תרופות במקביל לירידה בהוצאות הצריכה והטיפול. בנוסף, אספקת תרופות ממוקדת מפחיתה את תופעות הלוואי של תרופות גולמיות או טבעיות על ידי מזעור חשיפה לא רצויה לתאים בריאים. מתן תרופות מתמקד במקסום הזמינות הביולוגית הן במקומות ספציפיים בגוף והן לאורך תקופה. זה יכול להיות מושגת על ידי מיקוד מולקולרי על ידי מכשירים מהונדסים ננו. היתרון של שימוש בקנה מידה ננומטרי עבור טכנולוגיות רפואיות הוא שמכשירים קטנים יותר פולשניים פחות וייתכן שניתן להשתיל אותם בתוך הגוף, בנוסף זמני התגובה הביוכימיים קצרים בהרבה. מכשירים אלה מהירים ורגישים יותר מאשר מתן תרופות טיפוסיות. היעילות של אספקת תרופות באמצעות ננו-רפואה מבוססת במידה רבה על:מספר גורמים:

• אנקפסולציה יעילה של התרופות
• אספקה מוצלחת של התרופה לאזור היעד של הגוף
• שחרור מוצלח של התרופה באזור היעד

צריכת התרופות הכוללת ותופעות הלוואי עשויות להיות מופחתות באופן משמעותי על ידי שיגור התרופה הפעילה באזור החולה בלבד, וללא מינון גבוה מהנדרש. מתן תרופות ממוקד נועד להפחית את תופעות הלוואי של תרופות במקביל לירידה בהוצאות הצריכה והטיפול. אספקת תרופות ממוקדת מפחיתה את תופעות הלוואי של תרופות גולמיות או טבעיות על ידי מזעור חשיפה לא רצויה על ידי תאים בריאים. מתן תרופות מתמקד במקסום הזמינות הביולוגית הן במקומות ספציפיים בגוף והן לאורך תקופה. זה יכול להיות מושגת על ידי מיקוד מולקולרי על ידי מכשירים מהונדסים ננו. היתרון של שימוש בקנה מידה ננומטרי עבור טכנולוגיות רפואיות הוא שמכשירים קטנים יותר פולשניים פחות וייתכן שניתן להשתיל אותם בתוך הגוף, בנוסף זמני התגובה הביוכימיים קצרים בהרבה. מכשירים אלה מהירים ורגישים יותר מאשר מתן תרופות טיפוסיות. היעילות של אספקת תרופות באמצעות ננו-רפואה מבוססת במידה רבה על: א) אנקפסולציה יעילה של התרופות, ב) אספקה מוצלחת של התרופה לאזור היעד של הגוף, ו-ג) שחרור מוצלח של הת

אבחון וטיפול במחלת הסרטן

קובץ:Liposome.jpg

ליפוזום בשימוש לשיגור תרופות

קובץ:Nanoparticles biomolecule interaction.svg

Nanoparticles biomolecule interactionאינטראקציה של ננו-חלקיק עם ביומולקולה

כיום מתקיים מחקר שמטרתו יצירת התקני-ננו שיוכלו לזהות גידול סרטני בשלביו המוקדמים, לפני שהוא מתפתח ומהווה סכנה ממשית, לסמן את מיקום הגידול ולשגר לאזור תרופות אנטי-סרטניות ממוקדות שיהיו מיועדות רק לתאים הסרטניים. בזכות גודלם המזערי של התקנים אלו, הם יוכלו לצאת ולהיכנס בקלות לרוב התאים וכלי הדם, אך עדיין יוכלו להכיל אלפי מולקולות שישוגרו לאזור המטרה. ננו-רפואה שואפת לספק מערך רב-ערך של כלי מחקר ומכשירים שימושיים קלינית בעתיד הקרוב. היוזמה הלאומית לננוטכנולוגיה מצפה ליישומים מסחריים חדשים בתעשיית התרופות שעשויים לכלול מערכות אספקת תרופות מתקדמות, טיפולים חדשים והדמיה in vivo. מחקר ננו-רפואה מקבל מימון מתוכנית הקרן הלאומית של המכון הלאומי לבריאות של ארצות הברית, התומך בארבעה מרכזי פיתוח ננו-רפואה. המטרה של מימון צורה חדש זו של מדע, היא להמשיך ולפתח את המנגנונים הביולוגיים, הביוכימיים והביופיזיים של רקמות חיות. יותר חברות רפואיות ותרופות נעשות כיום מעורבות במחקר ננו-רפואי ובתרופות. אלה כוללים את חברת בריסטול-מאיירס סקוויב, המתמקדת במערכות אספקת תרופות לאימונולוגיה ומחלות פיברוטיות; חברת מודרנה הידועה בפיתוח החיסון כנגד ה-COVID-19 ובפיתוח טיפולי mRNA; וחברת ננוביקס המתמקדת בתרופות נגד סרטן וכיום יש לה תרופה בבדיקה המגבירה את השפעת הקרינה על תאים ממוקדים. חברות נוספות כוללות את חברת ג'נרשן ביו , המתמחה ברפואה גנטית ופיתחה את הננו-חלקיק השומני הממוקד לתאים, ואת ג'אז פרמצאוטיקל , שפיתחה את התרופה Vyxeos, המטפלת בלוקמיה מיאלואידית חריפה, ומתרכזת בסרטן ובמדעי המוח. סיטיבה היא חברה המתמחה בייצור מערכות אספקה לתרופות גנומיות שאינן ויראליות, לרבות חיסוני mRNA, וטיפולים אחרים המשתמשים בחומצות-גרעין וחברת רציופרם הידועה בייצור התרופה פזניר המיועדת לסוגי סרטן שונים, וחברת פאסירהמתמחה בטיפול בכאב וידועה בייצור זילרטה לכאבי ברכיים, אוסטיאוארתריטיס, הטיפול הראשון ללא אופיואידים.

תחומים נוספים בהם הננו-רפואה תוכל לתרום בהקשר מחלת הסרטן:

• אבחון והדמיה – שיפור היכולת להביט על הסרטן ברמה של תא בודד על ידי אמצעי דימות מזעריים.
• גילוי מוקדם – פיתוח כלים ננו-מטריים לאיסוף מידע אודות סמנים ביולוגיים רבים הקשורים לסרטן, כגון חלבונים שרמת ביטוים עלולה להוות חשד להתפתחות גידול סרטני.
• שיגור תרופות ננו-חלקיקים (Nano-particles), ליפוזומים ודנדרימרים הם כמה ננו-חומרים (Nano-material) שנחקרים לשימוש בננו-רפואה.

פעילות אנטי-בקטריאלית

קובץ:Graphs.jpg

דנדרימר לשיגור תרופות

בעשורים האחרונים, מחלות כרוניות הנגרמות כתוצאה מחיידקים, הופכות לתופעה גלובלית. הטיפול במחלת הסלמונלוזיס כרונית הנגרמת על ידי חיידק הסלמונלה מסובך וכולל מתן תרופות במינון גבוה לתקופה ממושכת. הטיפול קשה מכיוון שבמחלה כרונית, החיידק חומק ממערכת החיסון, בין השאר על ידי יצירת סביבת מחיה תוך תאית מיוחדת. ייתכן וננו-רפואה תוכל לסייע בריפוי מחלות אלה על ידי שחרור הדרגתי של תרופה בגוף, הגברת מסיסות התרופה והגברת יעילותה. ההפצה היעילה תתאפשר בזכות ננו-נשא של תרופה שיביא אותה לאיבר המטרה, כמו כבד או טחול, הנשא יכול להיות ליפיד או מולקולה טעונה במטענים חשמליים כגון

דוגמה נוספת היא קרם שפותח כנגד החיידק Staphylococcus aureus העמיד לסוגים רבים של אנטיביוטיקה וגורם למורסות בעור. הקרם עשוי מננו-חלקיקים הנושאים ומשחררים לאזור הנגוע חנקן חמצני, שקוטל את החיידק.

ננו-חלקיקים נמצאים במחקר על הפוטנציאל שלהם להפחית עמידות לאנטיביוטיקה או לשימושים אנטי-מיקרוביאליים שונים. ננו-חלקיקים עשויים לשמש גם כדי לעקוף מנגנוני עמידות מול תרופות (MDR).

הדמיה

הדמיה In vivo היא תחום נוסף שבו כלים והתקנים מפותחים. שימוש בחומרי ניגוד המבוססים על ננו-חלקיקים, למטרות שיטות איבחון כגון, אולטרסאונד ו-MRI יש פיזור טוב יותר וניגודיות משופרת. בהדמיה קרדיווסקולרית, לננו-חלקיקים יש פוטנציאל לסייע בהדמיה של איסוף דם, איסכמיה, אנגיוגנזה, טרשת עורקים ואזורים מוקדיים שבהם קיימת דלקת.

הגודל הקטן של ננו-חלקיקים מקנה להם תכונות שעשויות להיות שימושיות מאוד באונקולוגיה, במיוחד בהדמיה. מוקדים קוונטיים (ננו-חלקיקים בעלי תכונות כליאה קוונטיות, כגון פליטת אור הניתנת לכוונון גודל), כאשר משתמשים בשילוב עם MRI (הדמיית תהודה מגנטית), יכולות לייצר תמונות יוצאות דופן של אתרי הגידול. ננו-חלקיקים של קדמיום סלניד (נקודות קוונטיות) זוהרים כאשר הם נחשפים לאור אולטרה סגול. כאשר הם מוזרקים, הם מחלחלים לתוך גידולי סרטן. והמנתח יכול לראות כך את הגידול הזוהר, ולהשתמש בו כמדריך להסרת גידול מדויקת יותר. ננו-חלקיקים אלו בהירים בהרבה מצבעים אורגניים וצריכים רק מקור אור אחד להפעלה. משמעות הדבר היא שהשימוש בנקודות קוונטיות פלואורסצנטיות יכול לייצר תמונת ניגודיות גבוהה יותר ובעלות נמוכה יותר מהצבעים האורגניים המשמשים כחומרי ניגוד כיום. החיסרון, לעומת זאת, הוא שנקודות קוונטיות עשויות בדרך כלל מיסודות רעילים למדי, אך חשש זה עשוי להיות מטופל על ידי שימוש בחומרים פלואורסצנטיים, חומרים שנוספו ליצירת הקרינה. מעקב אחר תנועה יכול לעזור לקבוע עד כמה תרופות מופצות או כיצד חומרים עוברים חילוף חומרים. קשה לעקוב אחר קבוצה קטנה של תאים בכל הגוף, ולכן מדענים נהגו לצבוע את התאים. צבעים אלה היו צריכים להיות מעוררים באור באורך גל מסוים כדי שיאירו. בעוד שצבעים שונים סופגים תדרים שונים של אור, היה צורך במקורות אור רבים כמו תאים. דרך לעקוף בעיה זו היא עם תגיות זוהרות. תגים אלו הם נקודות קוונטיות המחוברות לחלבונים שחודרים לקרום התא.

תחליף לדיאליזה

בניגוד לדיאליזה, הפועלת על העיקרון של דיפוזיה התלויה בגודל של מומסים ואולטרה סינון של נוזל על פני קרום חדיר למחצה, הטיהור באמצעות ננו-חלקיקים מאפשר מיקוד ספציפי של חומרים. בנוסף, ניתן להסיר תרכובות גדולות יותר שבדרך כלל אינן ניתנות לדיאליזה. תהליך הטיהור מבוסס על פונקציונליות של תחמוצת ברזל או ננו-חלקיקי מתכת מצופים פחמן בעלי תכונות פרומגנטיות או סופר-פארמגנטיות. חומרים קושרים כגון חלבונים, אנטיביוטיקה, או ליגנדים סינתטיים מקושרים קוולנטית למשטח החלקיקים. מתווכי קשירה אלו מסוגלים ליצור אינטראקציה עם מינים שונים של מולקולות ויוצרים צברים. הפעלת שיפוע שדה מגנטי חיצוני מפעילה כוח על הננו-חלקיקים, ומאפשרת להפריד אותם מהנוזל בתפזורת, ובכך להסיר מזהמים. בשיטה זו ניתן להוריד את הרעילות של אלח דם, אבל מהווה גורם סכנה של רעילויותת נפרוטוקסיות ונוירוטוקסיות. הגודל הקטן (<100 ננומטר) ושטח פנים גדול של ננומגנטים מתפקדים בעלי יתרונות בהשוואה לתהליך של המופרפוזיה , שהיא טכניקה בשימוש קליני לטיהור דם ומבוססת על היכולת של ספיחה על פני השטח. יתרונות אלו כוללים יכולת העמסה גבוהה, סלקטיביות גבוהה כלפי תרכובת המטרה, דיפוזיה מהירה, עמידות הידרודינמית נמוכה ודרישות מינון נמוכות.

ננו-רובוטים

תכנון ננו-רובוטים לשימושים רפואיים יוכל לאפשר לרופא לבצע "ניתוח" בתאים בודדים בגוף האדם. כמו כן, כלי זה יאפשר יעילות ודיוק גבוהים לצד עלות וסיכון נמוכים ביחס לפרוצדורות פולשניות שקיימות כיום. יש המכנים ננו-רובוטים המיועדים לפעול בתוך גוף האדם ננו-צוללות. ננו-רובוט ייבנה ממספר חלקים:

• ננו מנוע – מקור כוח בהשראה ביולוגית כדוגמת שוטון של תא זרע או חיידק, שינוע על ידי דלק ביולוגי המצוי בסביבת הננו-רובוט.
• מחשב - מחשב מובנה יאפשר לרופא לשלוט בננו-רובוט ולכוונו. אחד הכיוונים במחקר כיום מתבסס על אלקטרוניקה מבוססת צינורות-ננו (nanotubes) ומוטות ננו (nanorods).
• זרועות ביצוע - מחקרים מוכיחים כי ניתן להשתמש ב"פינצטות" עשויות חלבון או חומצות גרעין.
• חיישנים - שימוש בחיישנים ביולוגים דוגמת נוגדנים.

דרך נוספת לתכנון ננו-רובוטים מסתמכת על מניפולציות גנטיות על וירוסים וחיידקים במטרה להפוך אותם לכלי שרת בשימוש הרפואה. דוגמה לכך היא יצירת וירוס בעל אתר קישור ספציפי לחלבונים המצויים בתאים סרטניים, כך שתתאפשר הכוונה מדויקת לגידול אשר מאפשר בהמשך להחדיר לתא חומר ציטוטוקסי.

ננו-רפואת שיניים

ננו-רפואת שיניים היא תחום העוסק בפיתוח של מוצרים ננומטריים שייועדו לטיפול בבעיות שיניים ויהוו כלי עזר בניתוחים דנטאליים. כיום, קיימים שתלים העשויים מחלקיקים ננומטריים של זרחן וסידן, שמהווים תחליף לעצמות. יתר על כן, מדענים הצליחו לייצר בעזרת גבישים של סידן ואפטיט מבנים מזעריים שיכולים ליצור את שכבת האמייל של השן. בנוסף, ישנם ניסיונות לייצר ננו-רובוטים שיוכלו להתמקם בחלל הפה ובחניכיים, להזריק חומרים מאלחשים או להשמיד תאים של סרטן הלוע.

סכנות אפשריות

מכיוון שתחום הננו-רפואה הוא תחום חדש ומתפתח, טרם הצטבר מידע מספק לגבי הסכנות הבריאותיות הנעוצות בחלקיקים ננומטריים. הסכנות העיקריות נובעות מחשיפה של תאים ורקמות למתכות ולעצמים זרים המרכיבים את החלקיקים הננומטריים, ומהצטברותם בגוף. מחקרים שנערכו על מכרסמים הראו קשר ישיר בין שימוש בחלקיקים כגון קוורץ, זהב, נחושת, תחמוצת הטיטניום ופצלת השדה ליצירת תגובות דלקתיות בריאות ויצירת רדיקלים חופשיים. מחקרים נוספים הראו כי ישנו קשר הדוק בין גודל החלקיק לבין הרעילות שלו, וכי בעוד חלקיקי זהב בגודל של ננומטרים בודדים גורמים למוות תאי, חלקיקים בגודל של עשרות ננומטרים כמעט ואינם רעילים. לאור זאת, הוקמו ועדות וארגונים בינלאומיים, שמטרתם לבדוק אפקטים ננו-טוקסיקולוגיים אפשריים של מוצרים ננו-רפואיים, וארצות הברית אף גייסה ב-2011 תקציב של 117 מיליון דולר כדי לבדוק את הנזקים שחלקיקים ננומטריים יכולים לגרום ברמה הבריאותית, התעסוקתית והסביבתית.

ראו גם

• מעבדה על שבב
• ננו טוקסיקולוגיה
• שיגור תרופות
• איבר על שבב
• ביוננוטכנולוגיה

קישורים חיצוניים

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא [[commons:Category:{{#property:P373}}|ננו-רפואה]] בוויקישיתוף