Hur nanoteknologi förändrar medicinens framtid

Annons

Vi har hört talas om nanoteknologi länge både inom science fiction och i media, men det har hittills inte kommit så mycket. Men en ny våg av nanotek-baserade terapier är i horisonten och är redo att förändra medicinens värld.

Nanotechnology, ett teknologisk koncept som först föreslogs av Richard Feynman i hans föreläsning från 1959, "There's Plenty of Room at the Bottom", populariserades av Erik Drexler 1986 via sin bok "Skapningens motorer”. Boken beskrev möjligheten att självreplicera, molekylärskala maskiner som kan göra... i stort sett vad som helst.

Utgången har inspirerat många science fiction-verk, inklusive Michael Crichtons "Prey" och Neil Stephensons utmärkta "The Diamond Age." Nanoteknologins potential tog lång tid dags att visa ansiktet, men det börjar äntligen komma i form av sofistikerade medicinska insatser som kommer att förändra karaktären av sjukvården inom en snar framtid.

Nanoteknologi och medicin

Potentialen för nanoteknologi, i full Drexlerian bemärkelse, är enastående. Äkta universella montörer, om vi kan ta reda på hur man bygger dem, kommer att leda till en djup förändring av det mänskliga tillståndet. Naturligtvis finns det en lång väg att gå. På många sätt är vi inte ens nära. På andra sätt har framstegen fortsatt på vissa överraskande sätt - och användbara.

Moores lag Vad är Moores lag och vad har det att göra med dig? [MakeUseOf Explains]Otur har ingenting att göra med Moore's Law. Om det är den förening du hade, förvirrar du den med Murphys lag. Men du var inte långt borta eftersom Moores lag och Murphys lag ... Läs mer driver kontinuerligt framsteg inom nanoteknologi - vi kan nu tillverka transistorer som bokstavligen finns i nanoskala med diametrar på hundratals atomer.

På samma sätt inom medicin är en av de största frågorna vår oförmåga att korrekt rikta in interventioner. Inom psykoaktiv medicin och klinisk psykologi 6 Mind-Blowing TED-samtal om psykologi och mänskligt beteendeDen 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 vad läkare verkligen vill göra är att stimulera vissa hjärnregioner och undertrycka andra för att selektivt lösa vilket problem patienten har. Det är bara en historisk olycka att det bästa sättet att göra det just nu är att administrera mediciner som förresten, på alla de många sätt som de förändrar hjärnan och kroppen, råkar ha några av de önskade effekter.

Om kirurger skulle kunna sätta ledningar i människors hjärnor och selektivt stimulera specifika regioner på ett säkert sätt, kan det mentala hälsofältet undvika biverkningarna av traditionella psykoaktiva läkemedel. Den grundläggande tekniken har redan visats att arbeta i depression, enligt en artikel i Nervcell sammanfattar ett antal olika kliniska studier.

Tänk också på cancer - vad läkare verkligen vill, inom 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 av att också döda vanliga celler. Detta gör också patienter mycket sjuka.

Nanoteknologi erbjuder ett sätt att direkt ingripa i människokroppen, eventuellt på individnivå celler, med smarta driftselement som är så små att de inte fysiskt stör kroppen fungera. Fina fingrar gör mindre skador, och maskiner som är mindre än den finaste kapillären i kroppen kan gå överallt där blodet går.

Om de kan göras tillräckligt smarta, kan sådana nanomediska enheter på ett klokt sätt välja var och hur de ska ingripa. Självklart kommer fler att vara möjliga när ingenjörer kan bygga robotar som har mer sofistikerat beteende (som förmågan att röra sig under sin egen kraft), men till och med relativt primitiva nanomachiner i dag har mycket värde.

Nanoteknologi och cancer

Anpassade DNA-strängar är konstruerade så att de kommer att vikas in i godtyckliga former och kan ha proteiner och enzymer bundna till dem, vilket tillåter dem att bete sig på intelligenta sätt och svara på förändrade situationer hos människan kropp. Daniel Levner, en bioingenjör vid Harvard, anser att detta beteende är mycket kraftfullt.

DNA-nanoroboter kan potentiellt genomföra komplexa program som en dag kan användas för att diagnostisera eller behandla sjukdomar med en aldrig tidigare skådad förfining.

Dessa maskiner kan användas för att bygga burar som kan öppnas eller stängas som svar på kemiska ledtrådar exempel, släppa kemoterapi endast när de stöter på proteinmarkörer specifikt associerade med tumör vävnad.

Detta tillåter applicering av riktad kemoterapi, samtidigt som biverkningar minimeras eller elimineras. Detta tillåter också distribution av kemoterapier som är mer effektiva än befintliga terapier, men som för närvarande inte kan användas på grund av allvarligheten i biverkningarna.

En liknande men annorlunda strategi är att använd små nanopartiklar gjorda av kiseldioxid och guld som binder till tumörvävnad och mättar tumören. Sedan kan nästan infraröda lasrar appliceras, som inte interagerar mycket med den mänskliga vävnaden, men som gör att nanopartiklarna i guld värms upp.

Denna process gör det möjligt att förbränna specifika vävnadsområden (de som är fyllda med nanopartiklar och i laserbanan). Genom att ställa in både lasrarna och partikelfördelningen kan läkare förstöra cancervävnad mycket selektivt. Den döda vävnaden kan tas bort eller rengöras kirurgiskt av immunsystemet själv, beroende på sjukdomens omfattning. En variation av förfarandet är att använda ihåliga guldskal som frigör en nyttolast kemoterapi vid uppvärmning, tillåter användning av lasrar att ytterligare förfina där läkemedel används (om tumörmarkörproteiner inte är tillräckligt specifika).

Nanoteknologi 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 över hela kroppen som upptäcka kemiska förändringar när de händer. Detta kan möjliggöra en närmare realtidsspårning av en patients hälsa och status på sätt som inte annars är möjliga.

Utanför kroppen kan nanoteknologi också användas för att påskynda gensekvensering och kemisk analys med hjälp av kvantprickar bundna till antingen partiella DNA-sekvenser, eller proteiner som binds till andra material som läkare är intresserade av. Sedan kan du bara titta på fördelningen av glödande element för att se vad som fanns i provet.

Detta kan potentiellt göra det snabbare, billigare och mer pålitligt att göra vissa typer av tester utanför kroppen - det kan du bygg tester som tar ett litet vävnadsprov och sekvenserar det för bitar av HIV-genomet, upptäcker infektioner tidigare och mer tillförlitligt. Forskare vid Stanford har använt den här tekniken för att leta efter skadade gener som är vanliga i vissa cancerformer, som ett sätt att screena tumörvävnad snabbare:

Eftersom qdots kan spåra närvaron av flera molekyler under en längre tid, forskare syftar till att använda dem för att generera en slags optisk streckkod som speglar nivåerna för olika tumörmarkörer. Streckkoden kan indikera tumörtyp och stadium.

På lång sikt, om nanoteknologiska utvecklare kan fortsätta att miniatyrera delarna (eller låna tekniker från mikrochip tillverkning), de kunde bygga enkla mikroskopiska kameror, mindre än diametern på en kapillär (10 mikron, eller cirka 100 000 atomer över). Dessa kameror kan kartlägga hela kroppen och ringa hem resultaten.

Alla dessa data, syntetiserade tillsammans, skulle kunna ge en komplett karta över det mesta av vävnaden i människokroppen, från perspektiv över dess kapillärer, visar en hel mänsklig kropp i en detaljnivå som är omöjligt med röntgen eller MRI. Ett förslag för att bygga något liknande är den så kallade "Vascular Cartographic Scanning Nanodevice", som utvecklas av Frank Boehm, författaren till 'Nanomedical Device and System Design. 'Boehm anser:

Nano-medicinsk diagnostik och terapeutik fungerar på cellulära och molekylära nivåer, exakt där många sjukdomsprocesser hittar sin uppkomst [...] [N] anomedicin har potential att diagnostisera och behandla många tillstånd preemptively, innan de har möjlighet att sprida sig. [...] [I] tänkbart att de kommer att vara övervakade med kapacitet för mycket noggranna diagnoser och noggrann och grundlig utrotning av praktiskt taget vilket som helst sjukdomstillstånd, patogent eller toxiskt hot.

Nanoteknologi och neurovetenskap

Nanoteknologi har också potential att förändra hur läkare behandlar hjärnstörningar. På datainsamlingssidan av saker kan det vara möjligt att använda nanoskala diamantpartiklar, som lyser upp som svar på hjärnans elektriska aktivitet, för att konvertera hjärnaktivitet till ljusfrekvenser som kan undkomma skallen och registreras av externa 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 frata ut dynamiken i anfall och mental sjukdom i individuella hjärnor, vilket möjliggör för riktade insatser för att lösa problemet.

På baksidan kan det vara möjligt att använda kolananorör för att bära signaler till och från enskilda neuroner. Just nu är tekniken tillämpas av italienska forskare för att bära elektrisk aktivitet över död hjärnvävnad kvar av slag eller infektioner, men det kan också användas för att göra elektrodenät som är mycket finare och mer biokompatibla än befintlig teknik, vilket möjliggör mer sofistikerade implantat medan du gör mindre skada på den ursprungliga vävnaden.

Detta kan i princip fungera med mycket högre upplösning och över ett bredare omfattning än traditionella implanterade elektroder, vilket tillåter nya typer av hjärnimplantat Pluggar i din hjärna och kropp - Framtiden för implanterade datorerMed den nuvarande trenden med teknisk innovation och framsteg är det nu en bra tid att utforska den senaste tekniken inom datormänskliga tekniker. Läs mer och hjärnstimulerande enheter. Även med den relativt orena elektrodimplantationen som finns tillgänglig idag är effekterna av hjärnstimulering betydande:

Alternativt är det möjligt att använda samma tekniker används för nano-leverera kemoterapi för att leverera andra kemikalier, som neurotransmitters och psykiatriska läkemedel till specifika hjärnregioner med mycket mer precision (inklusive att leverera läkemedel inom individen celler). Tillsammans med bättre neurologiska pacemakare kan detta också sträcka sig till ett mycket bredare utbud av terapier, inklusive behandling för depression, ångest och till och med personlighetsstörningar.

Den här typen av terapi kan också användas för att skapa stramare gränssnitt med protesapparater och ge fler kommunikationsalternativ till "inlåsta" patienter.

Denna typ av precis riktad teknik kan radikalt förändra hur neurologisk medicin utövas. Det kan leda till psykiatrisk medicin som är datadriven och förlitar sig på direkt intervention som är mycket mer effektiva och mycket mer existentiellt upprörande (föreställ dig det första datavirus som kan infektera hjärnreglerande hjärnan implantat).

Nanoteknologin kommer, som den fortskrider, att ha en djup inverkan på det mänskliga tillståndet, vilket gör att vi kan reparera cellskador och behandla en mängd mänskliga lidelser i nya och bättre sätt, men det ger också ett behov av ökad förståelse för kroppssystemen som vi manipulerar med, samt en uppskattning av den etik som följer med den där.

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

Bildkrediter: nanorobotar Via Shutterstock, “DNA kan fungera som kardborrband för nanopartiklar, ", Av Argonne National Labs,"B0006421 Bröstcancerceller“, Av Amy Dame,”Kvantprickar“, Av Argonne National Labs,”autism neuro-imaging-studie“, Av Ian Ruotsala,”livshand 2“, Av Università Campus Bio-Medico di Roma