nanomedizin modul
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Swiss Nano-Cube
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen
Tel. +41 (0) 71 274 72 66, [email protected]
www.swissnanocube.ch
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere
Fachschulen
NanomedizinGesamtversion
© 2011 - Swiss Nano-Cube 2
1. Einführung
© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse
Die Dimension des Nanometers
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Diverse
0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100
nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm
mehrzellige Organismen
eukaryotische Zellen
Bakterien
Viren
org. Moleküle
Atome Makromoleküle
Zellorganellen
1 nm = 10-9 m
Die Dimension des Nanometers
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Menschliches Haar
© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: sinnesphysiologie.de / kt.infrarot.de / uni-saarland.de / NANO-4-SCHOOLS
0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100
nm nm nm nm μm μm μm mm mm mm
menschliches Auge
Lichtmikroskopie
Elektronenmikroskopie
Rastersondenmikroskopie
mehrzellige Organismen
eukaryotische Zellen
BakterienVirenorg. Moleküle Atome
Makromoleküle
0.2 nm 0.2 μm 0.2 mm
Blick in die Nanowelt
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Detektor (Photodiode)
piezogesteuerte Messeinheit mit Federbalken
Probe (Oberfläche = Topographie)
Laserstrahl
Quelle: Nanosurf 6
Das Rasterkraftmikroskop (AFM)
© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: EMPA Topographie-Lernprogramm; almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
Alpenlandschaft (25 km2)
Reliefdarstellung einer sandgestrahlten Oberfläche (0.25 mm2) (AFM-Aufnahme)
STM-Aufnahme einer Kupferoberfläche (ca. 5 nm2)
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Topographie: eine Frage der Grössenordnung
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Was ist Nanomedizin?
Einsatz von Nanotechnologie für Diagnose Monitoring Behandlung von Krankheiten
Voraussetzung: Wissen um die Funktionen der Gene und Proteine, damit
Krankheiten auf molekularer Ebene diagnostiziert und behandelt werden können.
Beispiele: Gentherapie Proteintherapeutika Einsatz von Antikörpern zur gezielten Medikamentenabgabe in
kranken Geweben.
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Fünf Hauptanwendungsfelder
Wirkstofftransport Neue Therapien und Wirkstoffe In-vivo-Diagnostik In-vitro-Diagnostik Medizinische Implantate
9Quelle: Hessen-Nanotech Broschüre „Nanomedizin“ (Band 2)
Die meisten Firmen entwickeln Wirkstofftransportsysteme.
Aufgliederung der Unternehmen (weltweit) mit Nanomedizin-Aktivitäten nach Anwendungsfeldern. (Quelle: VDI Technolgoie-zentrum GmbH)
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2. Anwendungen
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Nanoroboter
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Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept
Antimikrobielle Beschichtungen
Biosensoren
Nanoskalige Kontrastmittel
Nanokrebstherapie
Neuro-KopplungNanopartikel als Markerstoffe
Nanopartikel zum Wirkstofftransport
Lab-on-a-chip Systeme
Biokompatible Implantate
Theranostik
Tissue Engineering
Intelligente Drug Delivery-Systeme
Molekulare Krebs-früherkennung
Quelle: Hessen Nanotech „Nanomedizin“
0-5 Jahre 5-10 Jahre 10-15 Jahre
Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: DiaCCon GmbH
Mit nanometergrossen Diamantpartikeln beschichtete Gelenkimplantate haben besonders gute Gleiteigenschaften und zeigen zudem eine stark verminderte Abriebsbildung.
> erhöhte Biokompatibilität und LangzeitstabilitätKnieprothese
Schenkelhalsprothese
Biokompatible Implantate
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: MagForce GmbH
Nano-Eisenpartikel lagern an die Zellen des Glioblastoms resp. werden in diese aufgenommen.
Nano-Eisenpartikel werden in das Tumorgewebe eingespritzt.
Mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes werden die magnetischen Nano-Eisenpartikel erwärmt, dadurch wird der Tumor zerstört!
Glioblastom: aggressiver, schnell wachsender Hirntumor
Nanokrebstherapie
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quelle: www.hessen-nanotech.de
krankes Gewebe oder Krankheitserreger
Y Marker („Schloss“)YY
Y
Nanopartikel
z.B. Phosphor
Zielfindungsmolekül („Schlüssel“) z.B. Oligo-nukleotid oder Eiweiss
Kontrastmittel z.B. Lanthanide als Quantenpunkte (Dots)
Das Kontrastmittel und das Zielfindungsmolekül werden an einen Nanopartikel gekoppelt. Durch das Zielfindungsmolekül erfolgt die Anreicherung im kranken Gewebe oder auf einem Krankheitserreger.
Nanoskalige Kontrastmittel
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Liposomen sind nanoskalige Aggregate bestehnd aus einer Doppelschicht Phospholipid-Molekülen.
Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und im Körper gezielt transportieren.
Die gleiche Funktion haben Micellen, Polymer-Nanopartikel, Polymer-Wirkstoff-Konjugate oder anorganische Nanopartikel.Beispiel: PEGASYS (Polymer-Protein-Konjugat).
hydrophober Schwanz
hydrophiler Kopf
Micelle
Phospholipid-Molekül
Liposom
Quellen: Encyclopedia Britannica
Wirkstofftransport: Liposomen
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: wikipedia; Gambro
Micelle
Semipermeable, nanoporöse Filtermembranen bilden wirksame Barrieren für Viren. Dadurch sinkt bei der Blutdialyse das Infektionsrisiko!
Nanoporöse Membran aus
Silicium
50 nm
Nanofiltration
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3. Nanomedizin: Anwendungen
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Selbstdiagnostika
Microarrays
Lab-on-a-chip-Systeme
Übersicht Nanoanalytik
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© 2011 - Swiss Nano-Cube Quellen: Migros; NANO-4-SCHOOLS
negativ
positiv
Selbstdiagnostika
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Biochip mit Biosensor
Lab-on-chip-Systeme
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Aufbau Biochip
22Quelle: thinXXS Microtechnology AG
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Goldelektroden
Fänger-molekül
gesuchte Probe (DNS)
Biotin
alkalische Phosphatase
Substrat
Phosphat aus Substrat
Reduktions-Oxi-dationszyklus des Phosphates löst Stromfluss aus
Quelle: Pictures of the future. Herbst 2004
Biosensor – Funktionsprinzip Quicklab
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Cantilever werden mit
Fängermolekülen bestückt.
Binden passende Moleküle aus
der Probe an ein Fängermolekül,
führt dies zu einer Auslenkung des
Cantilevers. Dies kann mit einem
Laser gemessen werden.
Quelle: Concentris
Biosensor auf Basis der Cantilevertechnik
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Microarrays – Gen-Chips
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13 m
m
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Auswertung Microarrays I
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Auswertung Microarrays II
27Quelle: www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/material/zelle/dna1/index.html
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Komplexe Analysen dezentral, direkt in der Arztpraxis oder beim Patienten (Lab-on-a-chip Systeme)
Einfache Bedienbarkeit
Kleine Probemengen
schnelle Resultate (Sekunden bis Minuten)
Modulartiger Aufbau der Systeme erlaubt unterschiedliche Analysen mit dem gleichen Gerät
Personalisierung der Medizin
Kosteneinsparung (?)
Auswirkungen der Miniaturisierung
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Personalized Genomics –Sinn und Unsinn
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