Hur nanoteknik förändrar medicinens framtid

Vi har länge hört talas om nanoteknik både i science fiction och i media, men det har inte hunnit hända mycket. En ny våg av nanoteknikbaserade terapier ligger dock i horisonten och är redo att förändra världens medicin.

Nanoteknologi, ett tekniskt koncept först föreslagit av Richard Feynman i hans 1959 föreläsning, “Det finns gott om utrymme vid botten”, blev populariserad av Erik Drexler år 1986 via sin bok “Skapelsens motorer.” Boken skisserade möjligheten till självreplikerande maskiner med molekylär skala som kan göra ... ganska mycket.

Premissen har inspirerat många science fiction-verk, inklusive Michael Crichtons “Byte” och Neil Stephensons utmärkta “Diamantåldern.” Nanoteknikens potential tog lång tid att visa sitt ansikte, men det börjar äntligen komma fram i form av sofistikerade medicinska ingrepp som djupt kommer att förändra vårdens karaktär inom en snar framtid.

Nanoteknik och medicin

Potentialen för nanoteknik, i full Drexlerian mening, är aldrig tidigare skådad. Sann universella montörer, om vi kan räkna ut hur man bygger dem, kommer att inleda ett djupt skift i det mänskliga tillståndet. Självklart finns det en lång väg att gå. På många sätt är vi inte ens nära. På andra sätt har framsteg på vissa överraskande sätt fortgått - och användbara.

Moores lag Vad är Moores lag och vad ska det göra med dig? [MakeUseOf Förklarar] Vad är Moores lag och vad ska det göra med dig? [MakeUseOf Explains] Otur har inget att göra med Moores lag. Om det är föreningen du hade, förvirrar du det med Murphys lag. Men du var inte långt borta eftersom Moores lag och Murphys lag ... Läs mer kontinuerligt driver framsteg inom nanoteknik - vi kan nu tillverka transistorer som bokstavligen finns på nanoskalan, med diametrar av hundratals atomer.

På samma sätt i medicin är en av de största problemen vår oförmåga att korrekt inrikta sig på interventioner. I psykoaktiv medicin och klinisk psykologi 6 Mind-Blowing TED-tal om psykologi och mänskligt beteende 6 Mind-Blowing TED-tal om psykologi och mänsklig beteende Den mänskliga hjärnan är komplex och förvirrande, vilket förklarar varför mänskligt beteende är så komplicerat och förvirrande. Människor har en tendens att agera på ett sätt när de känner något helt annat. Här är några ... Läs mer till exempel, vilka läkare som verkligen vill göra, stimulerar vissa hjärnregioner och undertrycker andra för att selektivt lösa det problem patienten har. Det är enbart historiahistoria att det bästa sättet att göra det just nu är att administrera mediciner som förvisso i alla mängder av sätt som de byter hjärna och kropp, råkar ha några av de önskade effekterna.

Om kirurger kan sätta ledningar i folks hjärnor och selektivt stimulera specifika regioner på ett säkert sätt, kan psykisk hälsofält undvika biverkningar av traditionella psykoaktiva droger. Den grundläggande tekniken har redan visat sig fungera i depression, enligt en artikel i Neuron som sammanfattar ett antal olika kliniska prövningar.

Tänk på cancer också - vad läkare verkligen vill, i onkologi, är att döda tumörceller. Det är olyckligt att ett av de bästa verktygen för att döda tumörceller är kemoterapi, vilket har den olyckliga bieffekten att också döda vanliga celler. Detta gör också patienterna mycket sjuka.

Nanoteknik erbjuder ett sätt att styra ingrepp i människokroppen, eventuellt på en nivå av enskilda celler, genom att använda smarta manöverelement som är så små att de inte fysiskt stör den normala kroppsfunktionen. Fina fingrar gör mindre skador, och maskiner som är mindre än de finaste kapillären i kroppen kan gå överallt där blodet går.

Om de kan göras tillräckligt smarta kan sådana nanomedicinska enheter på ett meningsfullt sätt välja var och hur man ska ingripa. Självklart kommer fler att vara möjliga när ingenjörer kan bygga robotar som har mer sofistikerade beteenden (som förmågan att röra sig under egen kraft), men även relativt primitiva nanomaskiner idag har mycket värde.

Nanoteknik och cancer

Anpassade DNA-strängar är konstruerade så att de kommer att vikas till godtyckliga former och kan ha proteiner och enzymer bundna på dem, så att de kan verka på intelligenta sätt och reagera på förändrade situationer i människokroppen. Daniel Levner, en bioengineer hos Harvard, anser att detta beteende är mycket kraftfullt.

DNA nanorobots kan potentiellt utföra komplexa program som en dag kan användas för att diagnostisera eller behandla sjukdomar med oöverträffad sofistikering.

Dessa maskiner kan användas för att bygga burar som kan öppnas eller stängas som svar på kemiska signaler - till exempel frisätter kemoterapi endast när de stöter på proteinmarkörer som är specifikt förknippade med tumörvävnad.

Detta möjliggör applicering av riktad kemoterapi, samtidigt som biverkningar minimeras eller elimineras. Detta kommer också att möjliggöra utplacering av kemoterapier som är effektivare än befintliga terapier men kan för närvarande inte användas på grund av biverkningarnas allvar.

Ett liknande men annorlunda tillvägagångssätt är att använda små nanopartiklar gjorda av kiseldioxid och guld som binder till tumörvävnad och mättar tumören. Därefter kan nästan infraröda lasrar appliceras, vilka inte interagerar mycket med den mänskliga vävnaden, men orsakar att guldnanoriklarna värmer upp.

Denna process tillåter specifika områden av vävnad (de fyllda med nanopartiklar och i laserns väg) att förbrännas. Genom att ställa in både lasrarna och partikelfördelningen kan läkare förstöra cancervävnad mycket selektivt. Den döda vävnaden kan kirurgiskt avlägsnas eller rengöras av immunsystemet i sig, beroende på sjukdomsskala. En variant av förfarandet är att använda ihåliga guldskal som frisätter en nyttolast av kemoterapi vid upphettning, vilket möjliggör användning av lasrar för att ytterligare avgränsa var läkemedel distribueras (om tumörmarkörproteiner inte är tillräckligt specifika).

Nanoteknik och Diagnostik

Ett annat område där nanoteknik har potential att revolutionera det medicinska området är i medicinsk datainsamling. Med nanoteknologi är det möjligt att distribuera nanoskala diagnostiska enheter i hela kroppen som upptäcker kemiska förändringar som de händer. Detta kan möjliggöra närmare realtidsspårning av patientens hälsa och status på sätt som inte annars är möjligt.

Utanför kroppen kan nanoteknologi också användas för att påskynda gensekvensering och kemisk analys genom att använda kvanta punkter som är fästa vid antingen partiella DNA-sekvenser eller proteiner som binder till andra material som läkare är intresserade av. Då kan du bara titta på fördelningen av glödande element för att se vad som fanns i provet.

Detta kan möjligen göra det snabbare, billigare och mer tillförlitligt att göra vissa typer av testning utanför kroppen - du kan bygga test som tar ett litet vävnadsprov och sekvensera det för delar av HIV-genomet, upptäcka infektioner tidigare och mer tillförlitligt. Forskare vid Stanford har använt denna teknik för att leta efter skadade gener som är vanliga hos vissa cancerformer, som ett sätt att snabbt skärva tumörvävnad:

Eftersom qdots kan spåra närvaron av flera molekyler under en längre tidsperiod strävar forskarna efter att använda dem för att generera en slags optisk streckkod som återspeglar nivåerna av olika tumörmarkörer. Streckkoden kan indikera tumortyp och stadium.

I det långa loppet, om nanoteknikutvecklare kan fortsätta att miniatyrera delarna (eller låna tekniker från mikrochiptillverkning), skulle de kunna bygga enkla mikroskopiska kameror, mindre än en kapillärs diameter (10 mikron eller cirka 100 000 atomer över). Dessa kameror kan kartlägga hela kroppen, ringa hem resultaten.

All den data som syntetiseras tillsammans kan ge en komplett karta över det mesta av vävnaden i människokroppen, ur kapillärens perspektiv, vilket visar en hel mänsklig kropp i detaljnivå som är omöjligt med röntgen eller MR. Ett förslag till att bygga något som detta är den så kallade “Vascular Cartographic Scanning Nanodevice”, utvecklas av Frank Boehm, författaren till "Nanomedical Device and System Design." Boehm tror:

Nano-medicinsk diagnostik och terapeutik fungerar på cellulär nivå och molekylär nivå, precis där många sjukdomsprocesser finner sin genesis [...] [N] anomedicin har potential att diagnostisera och behandla många villkor förebyggande, innan de har möjlighet att spridas. [...] Det är inte tänkbart att de kommer att bli genomsyrade av kapacitet för mycket noggranna diagnoser och noggrann och noggrann utrotning av praktiskt taget alla sjukdomstillstånd, patogena eller toxiska hot.

Nanoteknik och neurovetenskap

Nanoteknik har också potential att ändra hur läkare behandlar hjärnans sjukdomar. På datasamlingssidan av saker kan det vara möjligt att använda diamantpartiklar med nanoskala som lyser upp som svar på hjärnans elektriska aktivitet, för att omvandla hjärnaktivitet till ljusfrekvenser som kan komma undan skallen och registreras av yttre sensorer.

Detta skulle göra det möjligt för forskare att studera hjärnan i mycket större detalj. Att kunna se exakta mönster av hjärnaktivitet skulle vara till hjälp för att fräsa dynamiken i anfall och psykisk sjukdom i enskilda hjärnor, vilket möjliggör riktade insatser för att lösa problemet.

På baksidan kan det vara möjligt att använda kolnanorör för att bära signaler till och från enskilda neuroner. Just nu används tekniken av italienska forskare för att transportera elektrisk aktivitet över död hjärnvävnad kvar av stroke eller infektioner, men det kan också användas för att göra elektrodnät ​​som är mycket finare och mer biokompatibla än befintlig teknik, vilket möjliggör mer sofistikerade implantat samtidigt som det gör mindre skador på den ursprungliga vävnaden.

Detta kan i princip fungera med en mycket högre upplösning och över ett bredare räckvidd än traditionella implanterade elektroder, vilket möjliggör nya typer av hjärnimplantat. Plugging In Your Brain and Body - Framtiden för implanterade datorer som pluggar i din hjärna och kropp - Framtiden för Implanterade datorer Med den nuvarande utvecklingen av teknisk innovation och framsteg, är det nu dags att utforska den senaste tekniken inom dator-mänsklig teknik. Läs mer och hjärnstimulerande enheter. Även med den relativt råa elektrodeimplantationen som finns tillgänglig idag är effekterna av hjärnstimulering signifikanta:

Alternativt är det möjligt att använda samma tekniker som används för nano-leverande kemoterapi för att leverera andra kemikalier, som neurotransmittorer och psykiatriska läkemedel till specifika hjärnregioner med mycket mer precision (inklusive leverans av droger i enskilda celler). Tillsammans med bättre neurala pacemakers kan detta också omfatta ett mycket bredare utbud av behandlingar, inklusive behandling för depression, ångest och jämn personlighetsstörningar.

Denna typ av terapi kan också användas för att skapa stramare gränssnitt till protesanordningar och ge fler kommunikationsalternativ till "inlåsta" patienter.

Denna typ av exakt riktade tekniker kan radikalt ändra sättet att neurologiskt läkemedel praktiseras. Det kan leda till psykiatrisk medicin som är datadriven och bygger på direkt ingrepp som är mycket effektivare och mycket mer existentiellt upprörd (föreställ dig det första datavirus som kan infektera hjärnimplantat för humörreglering).

Nanotekniken, som den går framåt, kommer att ha en djupgående inverkan på det mänskliga tillståndet, så att vi kan reparera cellulär skada och behandla en rad mänskliga lidanden på nya och bättre sätt, men det medför också att det behövs en större förståelse för kroppssystemen att vi skämtar med, liksom en uppskattning av den etik som går med det.

Vad tar du på nanoteknik i medicin? Känner du att det är den nya gränsen för medicinsk vetenskap, eller är det dömt att misslyckas från början? Dela dina tankar i kommentarfältet nedan.

Bildkrediter: Nanobots Via Shutterstock, “DNA kan fungera som velcro för nanopartiklar,”, av Argonne National Labs, “B0006421 Bröstcancerceller“, av Amy Dame, “Kvantprickar“, av Argonne National Labs, “autism neuro-imaging studie“, av Ian Ruotsala, “livs hand 2“, vid Università Campus Bio-Medico di Roma

Utforska mer om: Bionic Technology, Geeky Science.