Hvordan nanoteknologi ændrer medicinens fremtid

Vi har hørt om nanoteknologi i lang tid i både science fiction og i medierne, men der er ikke meget ud af det indtil videre. Imidlertid er en ny bølge af nanotek-baserede terapier i horisonten og er klar til at ændre medicinens verden.

Nanotechnology, et teknologisk koncept, der først blev foreslået af Richard Feynman i sit foredrag i 1959, “Der er masser af plads i bunden”, blev populariseret af Erik Drexler i 1986 via sin bog “Skabelsens motorer.” Bogen skitserede muligheden for selvreplicerende, molekylære skalaer, der er i stand til at gøre… stort set hvad som helst.

Forudsætningen har inspireret mange science fiction-værker, herunder Michael Crichtons “Bytte” og Neil Stephensons fremragende “Diamantalderen.” Potentialet i nanoteknologi tog lang tid at vise sit ansigt, men det er endelig begyndt at komme i form af sofistikerede medicinske indgreb, som dybt vil ændre sundhedsydelser i den nærmeste fremtid.

Nanoteknologi og medicin

Potentialet for nanoteknologi i fuld Drexlerian-forstand er hidtil uset. Ægte universelle samlere, hvis vi kan finde ud af, hvordan vi bygger dem, vil indlede et dybtgående skift i den menneskelige tilstand. Der er selvfølgelig en lang vej at gå. På mange måder er vi ikke engang tæt på. På andre måder er der fortsat fremskridt på nogle overraskende måder - og nyttige.

Moore's lov Hvad er Moore's lov, og hvad har det at gøre med dig? [MakeUseOf Explains] Hvad er Moore's lov, og hvad har det at gøre med dig? [MakeUseOf Explains] Uheld har ikke noget at gøre med Moore's Law. Hvis det er den forening, du havde, forvirrer du den med Murphys lov. Du var dog ikke langt væk, fordi Moore's Law og Murphys lov ... kontinuerligt driver fremskridt inden for nanoteknologi - vi kan nu fremstille transistorer, der bogstaveligt talt findes i nanoskala med diametre på hundreder af atomer.

Ligeledes inden for medicin er et af de største spørgsmål vores manglende evne til at målrette interventioner korrekt. I psykoaktiv medicin og klinisk psykologi 6 Mindblowing TED-samtaler om psykologi og menneskelig adfærd 6 Mind-blowing TED-samtaler om psykologi og menneskelig adfærd Den menneskelige hjerne er kompleks og forvirrende, hvilket forklarer, hvorfor menneskelig adfærd er så kompleks og forvirrende. Mennesker har en tendens til at handle én måde, når de føler noget helt andet. Her er et par ... for eksempel, hvad læger virkelig ønsker at gøre er at stimulere nogle hjerneregioner og undertrykke andre til selektivt at løse det problem, som patienten har. Det er blot en historieulykke, at den bedste måde at gøre det lige nu på er at administrere medicin, der tilfældigvis på mange forskellige måder de ændrer hjerne og krop tilfældigvis har nogle af de ønskede effekter.

Hvis kirurger kunne sætte ledninger i folks hjerner og selektivt stimulere specifikke regioner på en sikker måde, kunne det mentale sundhedsfelt undgå bivirkningerne af traditionelle psykoaktive stoffer. Det er allerede vist, at den grundlæggende teknik fungerer i depression, ifølge en artikel i Neuron, der opsummerer en række forskellige kliniske forsøg.

Tænk også på kræft - hvad læger virkelig ønsker, inden for onkologi, er at dræbe tumorceller. Det er uheldigt, at et af de bedste redskaber til at dræbe tumorceller er kemoterapi, som har den uheldige bivirkning af også at dræbe regelmæssige celler. Dette gør også patienter meget syge.

Nanoteknologi tilbyder en måde at dirigere indgreb i den menneskelige krop, potentielt på et niveau af individuelle celler, ved hjælp af smarte driftselementer, der er så små, at de ikke fysisk forstyrrer normal kropsfunktion. Fine fingre skader mindre, og maskiner, der er mindre end den fineste kapillær i kroppen, kan gå overalt, hvor blodet går.

Hvis de kan gøres smarte nok, kan sådanne nanomediske enheder med rette vælge, hvor og hvordan de skal gribe ind. Det er klart, at mere vil være muligt, når ingeniører kan bygge robotter, der har mere sofistikeret opførsel (som evnen til at bevæge sig under deres egen kraft), men selv relativt primitive nanomachiner i dag har meget værdi.

Nanoteknologi og kræft

Brugerdefinerede DNA-tråde er konstrueret således, at de foldes i vilkårlige former og kan have proteiner og enzymer bundet på dem, så de kan opføre sig på intelligente måder og reagere på skiftende situationer i den menneskelige krop. Daniel Levner, en bioingeniør i Harvard, mener, at denne opførsel er meget stærk.

DNA-nanorobots kunne potentielt udføre komplekse programmer, der en dag kunne bruges til at diagnosticere eller behandle sygdomme med hidtil uset sofistikering.

Disse maskiner kan bruges til at bygge bure, der kan åbnes eller lukkes som reaktion på kemiske signaler - for eksempel frigør kemoterapi kun, når de støder på proteinmarkører, der specifikt er forbundet med tumorvæv.

Dette tillader anvendelse af rettet kemoterapi, samtidig med at minimering eller eliminering af bivirkninger. Dette tillader også anvendelse af kemoterapier, der er mere effektive end eksisterende terapier, men som i øjeblikket ikke kan bruges på grund af alvorligheden af ​​bivirkningerne.

En lignende, men anderledes fremgangsmåde er at bruge små nanopartikler lavet af silica og guld, der binder til tumorvæv og mæt tumoren. Derefter kan der anvendes næsten infrarøde lasere, som ikke interagerer meget med det menneskelige væv, men som får de gyldne nanopartikler til at varme op.

Denne proces gør det muligt at forbrænde specifikke områder af væv (dem, der er fyldt med nanopartikler og i laserbanen). Ved at indstille både lasere og partikeldistribution kan læger ødelægge kræftvæv meget selektivt. Det døde væv kan fjernes eller renses kirurgisk af immunsystemet selv, afhængigt af sygdommens omfang. En variation af proceduren er at bruge hule guldskaller, der frigiver en nyttelast med kemoterapi, når de opvarmes, så brugen af ​​lasere kan videreforfines, hvor lægemidler er placeret (hvis tumormarkørproteiner ikke er tilstrækkelig specifik).

Nanoteknologi og diagnostik

Et andet område, hvor nanoteknologi har potentiale til at revolutionere det medicinske felt, er inden for indsamling af medicinsk data. Med nanoteknologi er det muligt at distribuere nanoskala diagnostiske enheder i hele kroppen, der detekterer kemiske ændringer, når de sker. Dette kan muliggøre tættere realtidssporing af en patients sundhed og status på måder, der ellers ikke er mulig.

Uden for kroppen kan nanoteknologi også bruges til at fremskynde gensekvensbestemmelse og kemisk analyse ved at bruge kvantepunkter, der er knyttet til enten delvise DNA-sekvenser, eller proteiner, der binder til andre materialer, som læger er interesseret i. Så kan du bare se på fordelingen af glødende elementer for at se, hvad der var til stede i prøven.

Dette kan potentielt gøre det hurtigere, billigere og mere pålideligt at udføre visse former for test uden for kroppen - du kan opbygge tests, der tager en lille vævsprøve og sekvensere den for stykker af HIV-genomet, og påvise infektioner tidligere og mere pålideligt. Forskere ved Stanford har brugt denne teknik til at se efter beskadigede gener, der er almindelige i visse kræftformer, som en måde at screene tumorvæv hurtigere på:

Fordi qdots kan spore tilstedeværelsen af ​​flere molekyler over en længere periode, sigter forskerne på at bruge dem til at generere en slags optisk stregkode, der afspejler niveauerne for forskellige tumormarkører. Stregkoden kunne indikere tumortype og -stadium.

Hvis nanoteknologiudviklere på længere sigt kan fortsætte med at miniaturisere delene (eller låne teknikker fra mikrochipfremstilling), kunne de bygge enkle mikroskopiske kameraer, der er mindre end diameteren af ​​en kapillær (10 mikron eller ca. 100.000 atomer på tværs). Disse kameraer kunne kortlægge hele kroppen og ringe resultaterne hjem.

Alle disse data, der er syntetiseret sammen, kunne give et komplet kort over det meste af vævet i den menneskelige krop, set i forhold til dets kapillærer, der viser en hel menneskelig krop i et detaljeringsniveau, som er umulig med røntgen eller MR. Et forslag til at bygge noget lignende er det såkaldte “Vaskulær kartografisk scanning Nanodevice”, bliver udviklet af Frank Boehm, forfatteren af ​​'Nanomedical Device and System Design.' Boehm mener:

Nano-medicinsk diagnostik og terapeutik fungerer på cellulære og molekylære niveauer, netop hvor mange sygdomsprocesser finder deres genesis […] [N] anomedicin har potentialet til at diagnosticere og behandle mange tilstande præemptivt, før de har mulighed for at spredes. […] [I] tænkeligt, at de vil være genstand for kapaciteter til meget nøjagtige diagnoser og omhyggelig og grundig udryddelse af praktisk talt enhver sygdomstilstand, patogen eller toksisk trussel.

Nanoteknologi og neurovidenskab

Nanoteknologi har også potentialet til at ændre, hvordan læger behandler hjerneforstyrrelser. På dataindsamlingssiden af ​​tingene kan det være muligt at bruge nanoskala diamantpartikler, der lyser op som svar på hjernens elektriske aktivitet, til at konvertere hjerneaktivitet til frekvenser af lys, der kan undslippe kraniet og blive registreret af ekstern sensorer.

Dette ville give forskere mulighed for at studere hjernen i meget større detaljer. At være i stand til at se nøjagtige mønstre af hjerneaktivitet ville være nyttigt til at friste dynamikken i anfald og mental sygdom i individuelle hjerner, hvilket giver mulighed for målrettede indgreb til at løse problemet.

På vippesiden kan det være muligt at bruge carbon nanorør til at bære signaler til og fra individuelle neuroner. Lige nu anvendes teknologien af ​​italienske forskere til at udføre elektrisk aktivitet på tværs af dødt hjernevæv efterladt af slagtilfælde eller infektioner, men den kunne også bruges til at fremstille elektrodesystemer, der er meget finere og mere biokompatible end eksisterende teknologi, hvilket giver mulighed for mere sofistikerede implantater, mens du gør mindre skade på det originale væv.

Dette kunne i princippet fungere i en meget højere opløsning og på tværs af et bredere anvendelsesområde end traditionelle implanterede elektroder, hvilket tillader nye former for hjerneimplantater, der plugges i din hjerne og krop - Fremtiden for implanterede computere, der plugges i din hjerne og krop - Fremtiden for Implanterede computere Med den nuværende tendens inden for teknisk innovation og avancement er nu et godt tidspunkt at udforske den nyeste teknologi inden for computer-menneskelige teknologier. og hjernestimulerende enheder. Selv med den relativt rå elektrodeimplantation, der er tilgængelig i dag, er virkningerne af hjernestimulering betydelige:

Alternativt er det muligt at bruge de samme teknikker, der bruges til nano-afgivelse af kemoterapi til at levere andre kemikalier, såsom neurotransmittere og psykiatriske medikamenter til specifikke hjerneområder med meget mere præcision (herunder levering af lægemidler i individuelle celler). Sammen med bedre neurale pacemakere kan dette også udvide til en meget bredere vifte af behandlingsformer, herunder behandling af depression, angst og endda personlighedsforstyrrelser.

Denne form for terapi kan også bruges til at skabe strammere grænseflader med proteseanordninger og give flere kommunikationsmuligheder til 'indelåste' patienter.

Denne form for præcist målrettet teknologi kan radikalt ændre den måde, hvorpå neurologisk medicin praktiseres. Det kan føre til psykiatrisk medicin, der er datadrevet og er afhængig af direkte indgreb, der er langt mere effektiv og langt mere eksistentielt foruroligende (forestil dig den første computervirus, der kan inficere hjerneimplantater med humørregulering).

Nanoteknologi, som det skrider frem, vil have en dybtgående indflydelse på den menneskelige tilstand, så vi kan reparere celleskader og behandle en række menneskelige lidelser på nye og bedre måder, men det medfører også et behov for større forståelse af kroppens systemer at vi forkæler med samt en påskønnelse af den etik, der følger med det.

Hvad tager du af nanoteknologi inden for medicin? Føler du, at det er den nye grænse for medicinsk videnskab, eller er det dømt til at mislykkes fra starten? Del dine tanker i kommentarfeltet nedenfor.

Billedkreditter: Nanobots Via Shutterstock, “DNA kan fungere som velcro for nanopartikler,”, af Argonne National Labs, “B0006421 Brystkræftceller“, af Amy Dame, “Kvanteprikker“, af Argonne National Labs, “autisme neuro-imaging-undersøgelse“, af Ian Ruotsala, “livshånd 2“, af Università Campus Bio-Medico di Roma