Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen
Nanomedizin
Gesamtversion
Swiss Nano-Cube
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen
Tel. +41 (0) 71 278 02 04, [email protected]
www.swissnanocube.ch
1. Einführung
© 2014 - Swiss Nano-Cube
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Die Dimension des Nanometers
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Quellen: Diverse
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Die Dimension des Nanometers
1 nm = 10-9 m
0.1
1
10
100
1
10
100
1
10
100
nm
nm
nm
nm
μm
μm
μm
mm
mm
mm
Bakterien
Menschliches Haar
Makromoleküle
Atome
Zellorganellen
eukaryotische
Zellen
org. Moleküle
mehrzellige Organismen
Viren
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Quellen: Diverse
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Blick in die Nanowelt
0.2 μm
0.2 nm
0.2 mm
menschliches
Auge
Lichtmikroskopie
Elektronenmikroskopie
Rastersondenmikroskopie
0.1
1
10
nm
nm
nm
Atome
org. Moleküle
Makromoleküle
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Viren
100
1
10
100
nm
μm
μm
μm
Bakterien
1
10
mm
mm
100
mm
mehrzellige Organismen
eukaryotische Zellen
Quellen: sinnesphysiologie.de / kt.infrarot.de / uni-saarland.de / NANO-4-SCHOOLS
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Das Rasterkraftmikroskop (AFM)
Detektor
(Photodiode)
Laserstrahl
piezogesteuerte
Messeinheit mit
Federbalken
Probe (Oberfläche
= Topographie)
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Quelle: Nanosurf
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Topographie: eine Frage der
Grössenordnung
Reliefdarstellung einer sandgestrahlten
Oberfläche (0.25 mm2) (AFM-Aufnahme)
Alpenlandschaft (25 km2)
STM-Aufnahme einer
Kupferoberfläche (ca. 5 nm2)
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Quelle: EMPA Topographie-Lernprogramm; almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
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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
Die meisten Firmen entwickeln Wirkstofftransportsysteme.
Aufgliederung der
Unternehmen (weltweit)
mit NanomedizinAktivitäten nach
Anwendungsfeldern.
(Quelle: VDI
Technolgoie-zentrum
GmbH)
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Quelle: Hessen-Nanotech Broschüre „Nanomedizin“ (Band 2)
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2. Anwendungen
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Nanoroboter
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Anwendungen der
Nanotechnologie in der Medizin
Biosensoren
Molekulare Krebsfrüherkennung
Nanokrebstherapie
Antimikrobielle
Beschichtungen
Neuro-Kopplung
Nanopartikel als
Markerstoffe
Biokompatible Implantate
Lab-on-a-chip
Systeme
Nanoskalige
Kontrastmittel
Intelligente Drug DeliverySysteme
Nanopartikel zum
Wirkstofftransport
Verbreitung am Markt
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Tissue Engineering
Theranostik
Markteintritt
Prototyp
Konzept
0-5 Jahre
5-10 Jahre
10-15 Jahre
Quelle: Hessen Nanotech „Nanomedizin“
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Biokompatible Implantate
Schenkelhalsprothese
Mit nanometergrossen Diamantpartikeln
beschichtete Gelenkimplantate haben
besonders gute Gleiteigenschaften und
zeigen zudem eine stark verminderte
Abriebsbildung.
Knieprothese
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> erhöhte Biokompatibilität und
Langzeitstabilität
Quelle: DiaCCon GmbH
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Nanokrebstherapie
Nano-Eisenpartikel
lagern an die Zellen
des Glioblastoms resp.
werden in diese
aufgenommen.
Nano-Eisenpartikel werden
in das Tumorgewebe
eingespritzt.
Glioblastom: aggressiver, schnell
wachsender Hirntumor
Mit Hilfe eines magnetischen
Wechselfeldes werden die
magnetischen Nano-Eisenpartikel
erwärmt, dadurch wird der Tumor
zerstört!
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Quelle: MagForce GmbH
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Nanoskalige Kontrastmittel
Kontrastmittel z.B. Lanthanide
als Quantenpunkte (Dots)
Zielfindungsmolekül
(„Schlüssel“) z.B. Oligonukleotid oder Eiweiss
Das Kontrastmittel und
das Zielfindungsmolekül
werden an einen
Nanopartikel gekoppelt.
Durch das
Zielfindungsmolekül
erfolgt die Anreicherung
im kranken Gewebe oder
auf einem
Krankheitserreger.
Marker („Schloss“)
krankes Gewebe oder Krankheitserreger
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Quelle: www.hessen-nanotech.de
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Wirkstofftransport: Liposomen
Liposomen sind nanoskalige Aggregate
bestehnd aus einer Doppelschicht
Phospholipid-Molekülen.
Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und
im Körper gezielt transportieren.
Liposom
PhospholipidMolekül
hydrophiler
Kopf
Micelle
Die gleiche Funktion haben Micellen,
Polymer-Nanopartikel, PolymerWirkstoff-Konjugate oder
anorganische Nanopartikel.
Beispiel: PEGASYS (PolymerProtein-Konjugat).
hydrophober Schwanz
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Quellen: Encyclopedia Britannica
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Nanofiltration
Micelle
Nanoporöse
Membran aus
Silicium
Semipermeable, nanoporöse Filtermembranen
bilden wirksame Barrieren für Viren. Dadurch
sinkt bei der Blutdialyse das Infektionsrisiko!
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Quellen: wikipedia; Gambro
50 nm
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3. Nanomedizin: Anwendungen
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Übersicht Nanoanalytik
Selbstdiagnostika
Lab-on-a-chipSysteme
Microarrays
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Selbstdiagnostika
negativ
positiv
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Quellen: Migros; NANO-4-SCHOOLS
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Lab-on-chip-Systeme
Biochip mit Biosensor
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Aufbau Biochip
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Quelle: thinXXS Microtechnology AG
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Biosensor – Funktionsprinzip
Quicklab
Biotin
Substrat
gesuchte Probe
(DNS)
alkalische
Phosphatase
Phosphat
aus
Substrat
Fängermolekül
Reduktions-Oxidationszyklus des
Phosphates löst
Stromfluss aus
Goldelektroden
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Quelle: Pictures of the future. Herbst 2004
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Biosensor auf Basis der
Cantilevertechnik
Cantilever werden mit
Fängermolekülen bestückt.
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Quelle: Concentris
Binden passende Moleküle aus
der Probe an ein Fängermolekül,
führt dies zu einer Auslenkung des
Cantilevers. Dies kann mit einem
Laser gemessen werden.
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13 mm
Microarrays – Gen-Chips
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Auswertung Microarrays I
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Auswertung Microarrays II
© 2014 - Swiss Nano-Cube Quelle: www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/material/zelle/dna1/index.html
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Auswirkungen der
Miniaturisierung
 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 (?)
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Personalized Genomics –
Sinn und Unsinn
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Swiss Nano-Cube (SNC)