Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634655)
Контекстум
.

Основы бионанотехнологии (220,00 руб.)

0   0
АвторыНаквасина Марина Александровна, Артюхов Валерий Григорьевич
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц73
ID656207
АннотацияВ учебно-методическом пособии отражены современные тенденции междисциплинарного взаимодействия биофизики, биотехнологии, иммунологии, физики, химии, фармации, взаимосвязи учебного процесса с фундаментальными и прикладными научно-исследовательскими разработками кафедры биофизики и биотехнологии.
Кому рекомендованоРекомендовано для студентов 4-го и 5-го курсов медико-биологического факультета.
Основы бионанотехнологии / М.А. Наквасина, В.Г. Артюхов .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2016 .— 73 с. — 73 с. — URL: https://rucont.ru/efd/656207 (дата обращения: 23.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Основы_бионанотехнологии.pdf
Стр.1
Стр.3
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Основы_бионанотехнологии.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОСНОВЫ БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Составители: М.А. Наквасина, В.Г. Артюхов Воронеж Издательский дом ВГУ 2016 1
Стр.1
ПРЕДИСЛОВИЕ С 2014–2015 учебного года на биолого-почвенном факультете реализуется дисциплина «Основы бионанотехнологии» для студентов 4-го курса очной и 5-го курса очно-заочной формы обучения. В ходе изучения основ бионанотехнологии обучающиеся знакомятся с перспективными направлениями нанотехнологий, бионанотехнологий и наномедицины. Главное внимание в программе дисциплины уделяется изучению наночастиц как наиболее развитому направлению нанотехнологических разработок. Рассматриваются основные методы характеризации наноструктур и наноматериалов, особенности наночастиц, обеспечивающие проявление их свойств, отличных от таковых для макроматериалов и важные для их биомедицинского применения. Студенты получают представление о типах наночастиц, применяющихся в биомедицинских исследованиях, их свойствах, преимуществах и недостатках, особенностях «функционализации», путях поступления в организм, механизмах проникновения в клетки и их модифицирующего воздействия на структурно-функциональное состояние биомолекул, клеток и внутриклеточных компонентов. Обсуждаются вопросы и проблемы, связанные с необходимостью осуществления контроля биоактивности, биобезопасности и токсичности наночастиц по отношению к биосистемам различного уровня организации. Дополнением к теоретическому курсу, основное содержание которого на данный момент изложено в учебном пособии М.А. Наквасиной, В.Г. Артюхова «Бионанотехнологии: достижения, проблемы, перспективы развития» (2015), является настоящее учебно-методическое пособие, предназначенное для проведения лабораторных занятий. В нем представлена краткая характеристика наночастиц, используемых в биомедицине, и техногенных наночастиц, описаны методы их исследования, а также лабораторные работы, направленные на приобретение и развитие навыков получения липосом и введения в них биомолекул, исследования действия наночастиц фотосенсибилизаторов, серебра, углерода, хитозана на структурно-функциональное состояние опухолевых, эритроцитарных и лимфоцитарных клеток и их компонентов. Применительно к каждой теме изложены теоретические представления о структуре и свойствах наночастиц, особенностях их биологического действия, направлениях использования; дано описание лабораторных работ, а в конце темы приводятся контрольные вопросы. Лабораторные работы различного уровня сложности рассчитаны на выполнение студентами разных профилей направления подготовки «Биология», специализирующимися как на классических, так и экспериментальных кафедрах, т.е. они адаптированы к уровню их физико-химических и математических знаний. В учебно-методическом пособии отражены современные тенденции междисциплинарного взаимодействия биофизики, биотехнологии, иммуно3
Стр.3
В основе создания современных терапевтических и диагностических препаратов лежит применение наночастиц в качестве платформ, на поверхности которых производят сборку различных функциональных компонентов: лекарственных веществ, средств визуализации очагов патологии, компонентов, обеспечивающих эффективную доставку наночастиц в целевые клетки (мишени) организма. Наиболее важными для биомедицинского применения являются свойства наночастиц: малые размеры — от 1 до 100 нм, высокая удельная поверхность, локализация реактивных групп на поверхности наночастицы. Эти особенности наночастиц существенно изменяют их физико-химические и биологические свойства по сравнению с более крупными частицами того же состава, а именно: растворимость, реакционную способность, адсорбционную емкость, способность к агрегации, прочность. Малый размер наночастиц позволяет им непосредственно взаимодействовать с биомолекулами на поверхности и внутри клеток, что приводит к изменениям функций различных биологических структур. При создании наночастиц с заданными свойствами возможен контроль их строения вплоть до пространственной структуры каждой составляющей молекулы. На основе наночастиц (в том числе модифицированных) создают «мультифункциональные» системы, позволяющие направлять доставку лекарственных веществ и средств диагностики в очаги патологии, ограничивая его неспецифическое распространение, подбирать оптимальную дозу препарата и пролонгировать время удержания его в организме. Применение наночастиц в качестве носителей (платформ) лекарственных веществ дает возможность использовать препараты с низкой растворимостью или нерастворимые в воде, характеризующиеся низкой биодоступностью, нестабильные и токсичные соединения. «Функционализация» наночастиц — это «присоединение» к ним лекарственных препаратов, средств построения изображений, вспомогательных лигандов. Она может происходить за счет их инкапсуляции, ковалентного пришивания к поверхности или адсорбции. Наиболее важной модификацией наночастиц является нагрузка их молекулами лекарственного соединения или антигенными детерминантами. Важным свойством наночастиц при медицинском использовании является их способность преодолевать физиологические барьеры: гематоретинальный, гематоэнцефалический. Возможны различные способы введения в организм лекарственных препаратов на основе наночастиц, в том числе, внутриглазное, назальное, пульмональное, которые невозможно использовать в случае традиционных лекарственных средств. Основными направлениями исследований, связанных с разработкой и внедрением в практику средств диагностики и терапии на основе наноча6
Стр.6
стиц в медицине, в настоящее время служит создание препаратов для лечения и диагностики вирусных и онкологических заболеваний. При терапии вирусных заболеваний используют в основном немодифицированные наночастицы и неадресную доставку препаратов. Для разработки терапевтических средств при онкозаболеваниях приоритетным является создание интегрированных, направленных «мультифункциональных» наносистем для одновременной диагностики, биомаркирования и лечения. В этом случае необходим поиск путей адресной (таргетной) доставки «мультифункциональных» наночастиц и более эффективного их распределения и накопления в специфических тканях. Системы доставки лекарственных и диагностических препаратов на основе наночастиц условно подразделяют на несколько классов: биологические и биогенные, в состав которых входят материалы природного происхождения, либо синтетические биомолекулы и их фрагменты природного строения; полимерные наночастицы, при создании которых используются неприродные мономерные и полимерные материалы; неорганические и наночастицы на основе углерода (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Системы доставки лекарственных и диагностических препаратов на основе наночастиц нанотранспортных систем доставки Классы Используемые материалы Биологические и биогенные Полимерные Нуклеиновые кислоты Полисахариды Вирусы Липиды Пептиды Полимолочная кислота Полигликолевая кислота Полиалкилцианоакрилат Поли-3-гидроксибутановая кислота Полиэтиленгликоль Поликапролактон Полиэтиленоксид Полиамидоамин Полиэтиленимин Полипропиленимин Полиметилметакрилат 7 Типы наночастиц вирусоподобные наночастицы, микросферы, собственно наночастицы (наносферы и нанокапсулы) Липосомы, липоплексы, вирусные наночастицы, Микросферы, собственно наночастицы (наносферы и нанокапсулы), мицеллы, дендримеры
Стр.7
О к о н ч а н и е т а б л. 1 Неорганические Наноструктуры на основе углерода Оксиды металлов Соли металлов Кремний Металлы Углерод наностержни, наносферы, нанооболочки Неорганические наночастицы, квантовые точки, Углеродные нанотрубки, фуллерены Отличительной особенностью биологических и биогенных наноструктурированных систем доставки является их способность к самоорганизации и молекулярному узнаванию мишени (биомолекула, биосистема, клетка). Это свойство активно используется при создании искусственных конструкций, имитирующих реальные биологические структуры. Биогенные наночастицы не токсичны для организма, биосовместимы, биодеградируемы, поэтому активно используются в биомедицинских разработках. Техногенные наночастицы В настоящее время в мире наблюдается значительный рост объемов производства новых материалов, содержащих наноразмерные техногенные частицы, и расширение областей их применения. Экспертами Межведомственной программы по корректному управлению химическими препаратами и Организации экономической кооперации и развития разработан перечень приоритетных наночастиц для характеристики их биологического действия и обеспечения безопасности (табл. 2). Приоритетные техногенные наночастицы производятся или в ближайшее время будут производиться в больших объемах; оказывают воздействие на жизненно важные системы организма. Т а б л и ц а 2 Характеристика некоторых приоритетных техногенных наноматериалов Тип Области наноматериала Фуллерены преимущественного применения Создание композитных материалов со сверхпроводящими свойствами; смазочных материалов; в микроэлектронике и оптике, в солнечных элементах, электрических батареях и аккумуляторах; для покрытий эндопротезов 8 Потенциальные угрозы для безопасности человека Связаны с усилением пероксидного окисления липидов. При облучении видимым и УФсветом проявляют фотосенсибилизирующую активность. Основная проблема биобезопасности — воздействие через
Стр.8
П р о д о л ж е н и е т а б л. 2 (титан-фуллереновые композитные материалы); в биомедицине в качестве контрастирующих агентов для ЯМР-томографии Углеродные нанотрубки Широко применяются в электронике и компьютерной индустрии; входят в состав композиционных материалов. Используются в бионанотехнологических разработках кожу при прямом применении фуллеренсодержащих препаратов Общий механизм токсического действия — индукция окислительного стресса, стимулирующего воспалительные, генотоксические и цитотоксические последствия. В окружающей среде — нанодиспергированный углерод, который может усиливать воспалительные процессы в легких. Основные риски для человека — при хронических ингаляциях, особенно в производственных условиях Наночастицы золота В бионанотехнологии и наномедицине (на основе явления плазмонного резонанса — резонансного поглощения нанокластером падающего электромагнитного излучения, которое используется для диагностики и гипертермии опухолей) Наночастицы серебра Покрытия для поглощения солнечной энергии; катализаторы химических реакций; антимикробные и дезинфицирующие средства; компоненты пищевых упаковок. Добавки наносеребра придают антибактериальные свойства одежде, краскам, эмалям. Используются в бионанотехнологии и наномедицине Наночастицы оксида алюминия (Al2O3) Изготовление покрытий для деталей машин; входят в состав огнеупорных красок, сорбентов, электронных устройств Могут вызывать воспалительные реакции, накапливаться в ретикулярных клетках лимфоидной ткани, печени; влияют на клеточный и гуморальный иммунитет. Неблагоприятные клеточные и организменные эффекты связывают с малыми размерами, а также с освобождением ионов с поверхности наночастиц Токсические эффекты возникают из-за сочетания свойств наночастиц и высвобождения ионов серебра. Высоко стабильны в окружающей среде, способны длительно сохранять токсические свойства Снижение уровня жизнеспособности клеток, изменение митохондриального потенциала, нарушения экспрессии генов, проникновение через гематоэнцефалический барьер, нейротоксичность 9
Стр.9
О к о н ч а н и е т а б л. 2 Наночастицы оксида церия (CeO2) Наночастицы диоксида кремния (SiO2) В катализе; солнечных ячейках; люминесцентных преобразователях; абразивах; газовых сенсорах Широко используются как один из самых дешевых наноматериалов в микроэлектронике, оптоэлектронике, электротехнике. Наночастицы SiO2 входят в состав средств огнезащиты, термически устойчивых лакокрасочных покрытий, высокотемпературных клеев, огнеупорного стекла, пеногасителей, красок, антикоррозионных покрытий, строительных смесей; используются при производстве силикона, резины, каучука, полимеров, бетона, герметиков, бумаги. Применяются в бионанотехнологических разработках Наночастицы оксидов цинка (ZnO) и титана (TiO2) Диоксид титана — в лакокрасочной промышленности; разрешенная к применению микродисперсная пищевая добавка Е171. ZnO и TiO2 входят в состав косметических средств, зубной пасты, солнцезащитных кремов; компоненты пластиков и текстильных материалов Индукция активных форм кислорода, накопление в органах, влияние на иммунные клетки, цитотоксичность Цитотоксичность как следствие развития окислительного стресса Увеличение уровня активных форм кислорода в клетках, цитотоксичность, индукция воспалительных реакций Высокая биологическая активность техногенных наночастиц обусловливает потенциальные риски возникновения нежелательных токсических эффектов для работников нанотехнологических предприятий и потребителей продукции наноиндустрии. В этой связи в настоящее время закладываются основы систем контроля рисков, связанных с использованием нанотехнологической продукции, и определения степени потенциальной опасности новых наноматериалов. Важнейшим элементом работ по нанобезопасности является стандартизация характеристик наночастиц. Минимальный набор параметров для стандартизации наночастиц включает показатели: размер (распределение по размерам), форму, кристалличность, наличие агломерации / агрегации, характеристики поверхностных свойств (площадь поверхности, пористость, 10
Стр.10

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
.