Come la nanotecnologia sta cambiando il futuro della medicina

Abbiamo sentito parlare di nanotecnologie da molto tempo sia nella fantascienza che nei media, ma non ne è venuto fuori molto. Tuttavia, una nuova ondata di terapie basate sulle nanotecnologie è all'orizzonte e sono pronte a cambiare il mondo della medicina.

Nanotecnologia, un concetto tecnologico proposto per la prima volta da Richard Feynman nella sua lezione del 1959, “C'è un sacco di spazio in fondo”, è stato reso popolare da Erik Drexler nel 1986 attraverso il suo libro “I motori della creazione.” Il libro delineava la possibilità di macchine auto-replicanti su scala molecolare in grado di fare ... praticamente qualsiasi cosa.

La premessa ha ispirato molte opere di fantascienza, tra cui quella di Michael Crichton “Preda” e Neil Stephenson è eccellente “The Diamond Age.” Il potenziale della nanotecnologia ha richiesto molto tempo per mostrare il suo volto, ma finalmente sta iniziando ad arrivare sotto forma di sofisticati interventi medici che cambieranno profondamente la natura dell'assistenza sanitaria nel prossimo futuro.

Nanotecnologia e Medicina

Il potenziale per la nanotecnologia, nel pieno senso drexleriano, non ha precedenti. I veri assemblatori universali, se riusciamo a capire come costruirli, introdurrà un profondo cambiamento nella condizione umana. Certo, c'è ancora molta strada da fare. In molti modi, non siamo nemmeno vicini. In altri modi, i progressi sono continuati in alcuni modi sorprendenti - e utili.

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Allo stesso modo in medicina, uno dei maggiori problemi è la nostra incapacità di indirizzare correttamente gli interventi. In psicoterapia e psicologia clinica 6 TED-Talking parla di psicologia e comportamento umano 6 Talismani parla di psicologia e comportamento umano Il cervello umano è complesso e confuso, il che spiega perché il comportamento umano sia così complesso e confuso. Le persone hanno la tendenza ad agire in un modo quando sentono qualcosa di completamente diverso. Qui ci sono alcuni ... Leggi di più per esempio, quello che i medici vogliono veramente è stimolare alcune regioni del cervello e sopprimere gli altri per risolvere in modo selettivo qualsiasi problema il paziente abbia. È un semplice incidente della storia che il modo migliore per farlo in questo momento sia somministrare i farmaci che incidentalmente, in tutta la miriade di modi in cui cambiano il cervello e il corpo, capita di avere alcuni di quegli effetti desiderati.

Se i chirurghi potessero inserire fili nel cervello delle persone e stimolare selettivamente regioni specifiche in modo sicuro, il campo della salute mentale potrebbe evitare gli effetti collaterali delle droghe psicoattive tradizionali. La tecnica di base ha già dimostrato di funzionare in depressione, secondo un articolo di Neuron che riassume un certo numero di diversi studi clinici.

Pensa anche al cancro - quello che i medici vogliono veramente, in oncologia, è quello di uccidere le cellule tumorali. È spiacevole che uno dei migliori strumenti per uccidere le cellule tumorali sia la chemioterapia, che ha lo sfortunato effetto collaterale di uccidere anche cellule normali. Questo rende anche i pazienti molto malati.

La nanotecnologia offre un modo per dirigere gli interventi nel corpo umano, potenzialmente a livello di singole cellule, usando elementi operativi intelligenti che sono così piccoli da non interferire fisicamente con la normale funzione del corpo. Le dita fini fanno meno danni e le macchine più piccole del capillare più fine del corpo possono andare ovunque nel sangue.

Se possono essere resi abbastanza intelligenti, tali dispositivi nanomedici possono scegliere giudiziosamente dove e come intervenire. Ovviamente, più sarà possibile quando gli ingegneri possono costruire robot con comportamenti più sofisticati (come la capacità di muoversi con il proprio potere), ma anche le nanomacchine relativamente primitive di oggi hanno molto valore.

Nanotecnologia e cancro

Filamenti personalizzati di DNA sono costruiti in modo tale da piegarsi in forme arbitrarie e possono avere proteine ​​ed enzimi legati su di essi, permettendo loro di comportarsi in modi intelligenti e di rispondere a situazioni mutevoli nel corpo umano. Daniel Levner, un bioingegnere ad Harvard, crede che questo comportamento sia molto potente.

I nanorobot di DNA potrebbero potenzialmente eseguire programmi complessi che potrebbero essere utilizzati un giorno per diagnosticare o curare malattie con sofisticazione senza precedenti.

Queste macchine possono essere utilizzate per costruire gabbie che possono aprirsi o chiudersi in risposta a stimoli chimici - ad esempio, rilasciando la chemioterapia solo quando si imbattono in marcatori proteici specificamente associati al tessuto tumorale.

Ciò consentirà l'applicazione della chemioterapia diretta, riducendo al minimo o eliminando gli effetti collaterali. Ciò consentirà anche l'impiego di chemioterapie più efficaci delle terapie esistenti, ma attualmente non possono essere utilizzate a causa della gravità degli effetti collaterali.

Un approccio simile ma diverso è quello di utilizzare piccole nanoparticelle di silice e oro che si legano al tessuto tumorale e saturano il tumore. Quindi, possono essere applicati i laser nel vicino infrarosso, che non interagiscono molto con il tessuto umano, ma fanno surriscaldare le nanoparticelle d'oro.

Questo processo consente di incenerire aree specifiche di tessuto (quelle riempite con nanoparticelle e nel percorso del laser). Sintonizzando sia i laser che la distribuzione delle particelle, i medici possono distruggere il tessuto canceroso in modo molto selettivo. Il tessuto morto può essere rimosso chirurgicamente o ripulito dal sistema immunitario stesso, a seconda della scala della malattia. Una variante della procedura consiste nell'utilizzare gusci d'oro vuoti che rilasciano un carico utile di chemioterapia quando riscaldati, consentendo l'uso di laser per perfezionare ulteriormente dove vengono distribuiti i farmaci (se le proteine ​​tumorali non sono sufficientemente specifiche).

Nanotecnologie e diagnostica

Un altro settore in cui la nanotecnologia ha il potenziale per rivoluzionare il campo medico è la raccolta di dati medici. Con la nanotecnologia, è possibile distribuire dispositivi diagnostici su scala nanometrica in tutto il corpo che rilevano i cambiamenti chimici nel momento in cui si verificano. Ciò potrebbe consentire un monitoraggio più fedele in tempo reale della salute e dello stato di un paziente in modi che altrimenti non sarebbero possibili.

Al di fuori del corpo, la nanotecnologia può anche essere utilizzata per accelerare il sequenziamento genico e l'analisi chimica utilizzando punti quantici collegati a sequenze parziali di DNA o proteine ​​che si legano ad altri materiali a cui i medici sono interessati. Quindi, si può semplicemente guardare alla distribuzione di elementi luminosi per vedere cosa era presente nel campione.

Ciò potrebbe potenzialmente renderlo più veloce, più economico e più affidabile per eseguire determinati tipi di test al di fuori del corpo: è possibile creare test che prelevano un piccolo campione di tessuto e lo sequenziano per pezzi del genoma dell'HIV, rilevando le infezioni prima e in modo più affidabile. I ricercatori di Stanford hanno utilizzato questa tecnica per cercare i geni danneggiati comuni in alcuni tumori, come metodo per schermare il tessuto tumorale più velocemente:

Poiché i qdot sono in grado di monitorare la presenza di più molecole per un lungo periodo di tempo, i ricercatori mirano a utilizzarli per generare un tipo di codice a barre ottico che rifletta i livelli di vari marcatori tumorali. Il codice a barre potrebbe indicare tipo di tumore e stadio.

A lungo termine, se gli sviluppatori di nanotecnologie possono continuare a miniaturizzare le parti (o prendere in prestito tecniche dalla fabbricazione di microchip), potrebbero costruire semplici telecamere microscopiche, più piccole del diametro di un capillare (10 micron o circa 100.000 atomi). Queste telecamere potrebbero mappare l'intero corpo, chiamando a casa i risultati.

Tutti questi dati, sintetizzati insieme, potrebbero fornire una mappa completa della maggior parte del tessuto nel corpo umano, dalla prospettiva dei suoi capillari, mostrando un intero corpo umano con un livello di dettaglio impossibile con la radiografia o la risonanza magnetica. Una proposta per costruire qualcosa di simile è la cosiddetta “Nanodispositivo di scansione cartografica vascolare”, sviluppato da Frank Boehm, autore di "Nanomedical Device and System Design". Boehm crede:

La diagnostica e la terapia nano-mediche operano a livello cellulare e molecolare, proprio dove molti processi patologici trovano la loro genesi [...] [N] l'anomalia ha il potenziale per diagnosticare e trattare molte condizioni preventivamente, prima che abbiano l'opportunità di proliferare. [...] [È] immaginabile che saranno imbevuti di capacità per le diagnosi estremamente accurate e di un'eliminazione meticolosa e completa di praticamente qualsiasi stato patologico, minaccia patogena o tossica.

Nanotecnologie e Neuroscienze

La nanotecnologia ha anche il potenziale per cambiare il modo in cui i medici trattano i disturbi cerebrali. Dal punto di vista della raccolta dei dati, potrebbe essere possibile utilizzare particelle di diamante su scala nanometrica, che si illuminano in risposta all'attività elettrica del cervello, per convertire l'attività cerebrale in frequenze di luce che potrebbero sfuggire al cranio ed essere registrate da esterni sensori.

Ciò consentirebbe ai ricercatori di studiare il cervello in modo molto più dettagliato. Essere in grado di vedere i modelli esatti dell'attività cerebrale sarebbe utile per scoprire le dinamiche delle convulsioni e delle malattie mentali nei singoli cervelli, consentendo interventi mirati per risolvere il problema.

D'altro canto, potrebbe essere possibile utilizzare nanotubi di carbonio per trasportare segnali da e verso singoli neuroni. In questo momento, i ricercatori italiani stanno applicando la tecnologia per trasportare l'attività elettrica attraverso il tessuto cerebrale morto lasciato da ictus o infezioni, ma potrebbe anche essere usato per realizzare griglie di elettrodi che sono molto più fini e più biocompatibili della tecnologia esistente, consentendo impianti più sofisticati facendo meno danni al tessuto originale.

Ciò potrebbe, in linea di principio, operare a una risoluzione molto più elevata e in un ambito più ampio rispetto agli elettrodi impiantati tradizionali, consentendo nuovi tipi di impianti cerebrali Inserimento nel cervello e nel corpo - Il futuro dei computer impiantati Il cervello e il corpo - Il futuro di Computer impiantati Con l'attuale tendenza dell'innovazione tecnica e della promozione, ora è un buon momento per esplorare lo stato dell'arte nelle tecnologie informatiche. Leggi di più e dispositivi per stimolare il cervello. Anche con l'impianto di elettrodi relativamente rozzo oggi disponibile, gli effetti della stimolazione cerebrale sono significativi:

In alternativa, è possibile utilizzare le stesse tecniche utilizzate per la chemioterapia nano-erogante per fornire altre sostanze chimiche, come neurotrasmettitori e farmaci psichiatrici a specifiche regioni del cervello con molta più precisione (compresa la somministrazione di farmaci all'interno di singole cellule). Insieme a migliori stimolatori neurali, questo potrebbe estendersi anche a una gamma più ampia di terapie, incluso il trattamento per la depressione, l'ansia e persino i disturbi di personalità.

Questo tipo di terapia potrebbe anche essere usato per creare interfacce più strette con i dispositivi protesici e fornire più opzioni di comunicazione ai pazienti "bloccati".

Questo tipo di tecnologia precisamente mirata potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui viene praticata la medicina neurologica. Potrebbe portare alla medicina psichiatrica guidata dai dati e fare affidamento sull'intervento diretto che è molto più efficace e molto più sconvolgente dal punto di vista esistenziale (immagina il primo virus informatico che può infettare le protesi cerebrali di regolazione dell'umore).

La nanotecnologia, mentre avanza, avrà un profondo impatto sulla condizione umana, permettendoci di riparare il danno cellulare e trattare una varietà di afflizioni umane in modi nuovi e migliori, ma porta anche con sé la necessità di una maggiore comprensione dei sistemi corporei che stiamo manomettendo, così come un apprezzamento dell'etica che accompagna quello.

Qual è la tua opinione sulle nanotecnologie in medicina? Pensi che sia la nuova frontiera della scienza medica, o è destinata a fallire sin dall'inizio? Condividi i tuoi pensieri nella sezione commenti qui sotto.

Crediti immagine: Nanobots Via Shutterstock, “Il DNA può agire come velcro per le nanoparticelle,”, di Argonne National Labs, “B0006421 Cellule tumorali al seno“, di Amy Dame, “Punti quantici“, di Argonne National Labs, “studio di neuro-imaging autistico“, di Ian Ruotsala, “mano di vita 2“, dall'università Campus Bio-Medico di Roma

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