Transcript НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ

НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
(г. Томск)
чл. корр. РАН, С. Г. Псахье, д.т.н., М. И. Лернер
Взаимодействие наноразмерных и
низкоразмерных структур с
биологическими объектами: применение
в медицине
Докладчик: М.И. Лернер
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ПРОБЛЕМА 1
• От небезопасной питьевой воды погибло больше людей, чем за все
войны вместе взятые (United Nations Human Development Report - 2006).
• 80 % всех инфекционных заболеваний связано с некачественной водой.
• Очищенная от микроорганизмов вода жизненна необходима как в быту,
так в промышленности.
ПРОБЛЕМА 2
•
Мощное действие антибиотиков, убивающих бактерии и замедляющих их
рост, уменьшило количество чувствительных штаммов, приведя к
распространению резистентных микроорганизмов.
•
Опасность представляет как распространение самих резистентных
бактерий, так и перенос свойства резистентности от клетки к клетке.
•
Образование резистентных штаммов делает человечество беззащитным
перед многими болезнями, которые в недавнем прошлом излечивались
сравнительно просто.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ИНФОРМАЦИЯ
• Почти 75 % больничных палат заражены метицилин-резистентными
штаммами золотистого стафилококка (McCaughey B. Coming Clean // NY
Times. - June 6th, 2005).
• Около 2 млн человек в год погибает от внутрибольничных инфекций
(Klevens RM et al. Estimating health care-associated infections and deaths in
U.S. hospitals // Public Health Reports. - V. 122. - 2007. - P. 160-166).
• 30 % случаев заражения синегнойной палочкой не поддается лечению
имеющимися на рынке препаратами (Кризис антибиотикотерапии, или Где
искать решение проблемы // Фармацевтический вестник. - № 31. - 2009).
• В хирургических и ожоговых стационарах 80-100 % штаммов
энтеробактерий и грамотрицательных бактерий, включая синегнойную
палочку, проявляют клиническую устойчивость к риванолу, фурациллину,
хлорамину, цетилпиридинийхлориду, этонию и декаметоксину (Handbuch der
Antiseptik. - Berlin: Veb. Verlag Volk und Gesundheit, 1984).
• 77–88% штаммов золотистого и коагулазоотрицательных стафилококков
устойчивы к фурацилину и хлорамину (Handbuch der Antiseptik. - Berlin: Veb.
Verlag Volk und Gesundheit, 1984).
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ТАКИМ ОБРАЗОМ
•
Антибиотикоустойчивость - глобальная проблема, которая стала
основной темой для обсуждения на Всемирном дне здоровья 2011 года,
проводимом ВОЗ.
•
Активно ведется поиск способов воздействия на вирусы и бактерии
основанных на новых принципах.
•
Основа разработанного в ИФПМ СО РАН физического принципа
воздействия - использование поверхностного заряда микроорганизмов.
•
Отрицательный электрический потенциал поверхности микробной клетки
в основном определяется карбоксильными группами сиаловых кислот,
входящих в состав надмембранного матрикса.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ
• Электроположительные природные и синтетические
антимикробные пептиды разрушающие клеточную мембрану.
• Электроположительная полимерная структура, которая под
воздействием электростатических сил притягивается к клеткам
и прорывает их мембраны (IBM and Institute of Bioengineering
and Nanotechnology).
• Электроположительные наночастицы кремния (Россия, США).
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ
Сорбция микроорганизмов из водных сред и биологических
жидкостей при помощи электроположительных низкоразмерных
структур.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Полученные
результаты
фундаментальных
исследований
позволяют решать глобальные проблемы:
• получение воды свободной от микробиологических
загрязнений (эффективность удаления бактерий и вирусов
не менее 99,9999%);
• возможность лечения раневых инфекций без применения
антибиотиков и антисептиков.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СИНТЕЗ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
Наночастицы
Al/AlN
Электроположительные структуры AlOOH +
Al(OH)3
Дзета – потенциал электроположительных структур оксигидроксида
алюминия - до +100 mV
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
«СТРУКТУРА» СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Нанесенные на полимерную матрицу низкоразмерные структуры
оксигидроксида алюминия
Образцы материала
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ МАТЕРИАЛОМ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ
Образец
Микроорганизм
Исходная
концентрация,
КОЕ/мл
Текущая концентрация, КОЕ/мл
0,5 ч
3ч
6ч
24 ч
72 ч
№1
E. coli
107
 300
132
20
0
0
Контроль
E. coli
107
 300
 300
 300
 300
 300
№2
St. aureus
107
 300
 300
 300
230
2
Контроль
St. aureus
107
 300
 300
 300
 300
 300
№3
P. aeruginosa
107
 300
 300
 300
0
0
Контроль
P. aeruginosa
107
 300
 300
 300
 300
 300
№4
P. vulgaris
107
 300
 300
 300
45
0
Контроль
P. vulgaris
107
 300
 300
 300
 300
 300
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СОРБЦИЯ ЭНДОТОКСИНОВ
Испытуемый раствор
Дистиллированная вода до фильтрации
Наличие
эндотоксина,
ЕЭ/мл
0,24
Проба после фильтрации 50 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Проба после фильтрации 120 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Проба после фильтрации 200 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Проба после фильтрации 250 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Проба после фильтрации 300 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Проба после фильтрации 450 мл раствора эндотоксина
менее 0,3
Фильтрация через дисковый фильтр 13 см2
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
• Сепарация макромолекул, иммобилизация
ферментов и клеточных культур.
• Микробиологический анализ водных растворов.
• Системы для получения чистой воды в
фармацевтических производствах.
• Стерилизующая фильтрация инъекционных и
других растворов в медицинских учреждениях.
• Системы концентрирования биомолекул в
физиологических жидкостях перед
электрофорезом или иммуноэлектрофорезом в
клинических лабораториях для ранней
диагностики заболеваний.
• Ультрафильтрационные системы для
концентрирования и извлечения вирусов и
микроорганизмов, фильтрационные системы для
пробоподготовки.
EXPO-2008 «Water for Life»
Zaragoza, Spain
June 14 – September 14, 2008
Tomsk exposition
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
(модель инфицированной раны)
Эксперимент проводился при
комнатной температуре. В чашку с
агаром вносили 20 мл микробной
взвеси (E. Coli) с концентрацией 103
КОЕ/мл.
1 – образец сорбционного материала
модифицированного серебром;
2 – сплошной рост микроорганизмов на
агаре;
3 – место контакта материала с агаром
через 48 часов.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ПОВЯЗКИ ДЛЯ РАНЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
• Модификация низкоразмерных структур наночастицами Ag.
• Синтез композиционных частиц состава Al/AlN/Me, где Me - Cu, Zn, Fe.
• Синтез сорбентов для удаления микроорганизмов из ран и подавления их
размножения в объеме материала.
• Создание антимикробных повязок на основе модифицированных
сорбентов.
Низкоразмерные структуры оксигидроксида алюминия модифицированные
наночастицами серебра
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
КОМПОЗИЦИОННЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ
Наночастицы состава Al/AlN/Zn
Спектр
Спектр 1
Спектр 2
Спектр 3
Спектр 4
Al, % ат.
4.91
29.45
9.43
47.80
Zn, % ат.
88.03
66.04
74.34
42.76
Наночастицы состава Al/AlN/Cu
Спектр
Спектр 1
Спектр 2
Al, % ат.
68.15
57.42
Cu, % ат.
24.14
17.15
Спектр 3
58.79
18.80
Спектр 4
46.36
24.35
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕКУРСОРОВ
СAl в прекурсоре,
%
Sуд прекурсора, м2/г
Sуд продуктов
окисления, м2/г
Al/AlN/Zn
50
14,8
229
Al2O3, AlOOH, ZnO
Al/Zn
50
11,8
233
Al2O3, AlOOH, ZnO
Al/Zn
35
7,0
208
Al2O3, AlOOH, ZnO
Al/Zn
15
7,0
104
Al2O3, ZnO
Al/AlN/Сu
50
12,3
182
Бёмит, Байерит,
Cu2O, CuO2, Cu
Al/AlN/Fe
50
6,3
125
Нанопорошок
Фазовый состав
продуктов окисления
-
Низкоразмерные структуры оксигидроксида
алюминия модифицированные наночастицами
оксида меди
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ
Количественную оценку антимикробной активности образцов проводили на
культуре E.coli 7935 in vitro тест − методом AATCC 100–2004, исходная
концентрация микроорганизмов 2 ×103 КОЕ/мл .
Прекурсор
Al/AlN/Zn
Al/AlN/Cu
Al/AlN/Fe
Al/AlN (Ag)
Al/AlN
Среднее значение, КОЕ/мл
Время контакта
0,5 ч
24 ч
300
10
100
21
100
0
0
0
0
530
Примечание: сорбент нанесен на микроволокна полимерного
материала
Вывод: максимальным антимикробным действием обладают
наноструктурные материалы на основе Al/AlN/Cu
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
БЕЗОПАСНОСТЬ
•
•
•
•
Перевязочный материал не оказывает заметного аллергизирующего,
раздражающего, иммунотоксического и цитотоксического действия.
Проведено изучение мутагенной активности : перевязочный материал
не увеличивает уровень цитогенетических нарушений в клетках
костного мозга у мыши линии СВА/CaLac и частоту появления самок с
мутациями у дрозофилы.
Накожное применение перевязочного материала крысам и кроликам в
течение одного месяца не показало гибели животных и патологических
изменений их общего состояния, динамики общей массы и
функциональной активности изученных внутренних органов и систем.
Макроскопическое и микроскопическое исследование внутренних
органов животных не выявило каких-либо патологических изменений
по сравнению с контролем.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Диагноз: Ожог головы IIIБ степени.
Отказ от трансплантации кожи, сокращение времени лечения
80 суток
Стандартные сроки лечения 150-180 суток
Диагноз: Рецидивирующая рожа
Прогноз – Неблагоприятный. Результат: Заживление 95%
12 суток
Пандактилит I пальца
правой кисти
Прогноз: неблагоприятный
(ампутация)
15 суток
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ТЕСТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
• Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный
центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", Кольцово, РФ.
•Вирусологическая лаборатория Центра гигиены и эпидемиологии Томской
области, РФ.
• Аккредитованный испытательный лабораторный центр Противочумной
станции Федерального медико-биологического агентства России, Оболенск,
РФ.
• ФГБУ "НИИ ЭЧ И ГОС ИМ. А.Н. Сысина" МИНЗРАВСОЦРАЗВИТИЯ РФ.
• Испытательная лаборатория ЗАО «МЕТТЭМ-Технологии», Москва, РФ.
• Vietnam Institute for Water Resources Research, Вьетнам.
• National Institute of Virology, Индия.
• Kitasato Research Center of Environmental Sciences, Япония.
• Water Research Institute, Словения
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ТЕСТИРОВАНИЕ ПЕРЕВЯЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
• Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск.
• НИИ онкологии СО РАМН, г. Томск.
• Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова, г. Санкт-Петербург
•Клинический центр стоматологии ФМБА России, г. Москва.
• Испытательная лаборатория ФГУ «НИИ ФХМ» ФМБА РФ, г. Москва.
• ГБОУ ДПО «Российская
образования», г. Москва.
медицинская
академия
последипломного
• ЦИТО Травматологии и ортопедии им. Н.Н. Пирогова, г. Москва.
• ФГУ ГНИЦ ПМ Росмедтехнологий, г. Москва.
• ФГБУ «Институт хирургии им. А.В. Вишневского», г. Москва.
•Госпитальная клиника им. Савиных А. Г. СибГМУ, г. Томск;
•Городская клиническая больница №3, г. Саратов;
•Центральная клиническая больница Ханоя, Вьетнам;
•Центральная больница Мумбая, Индия;
•Клиника хирургии, Сеул, Южная Корея.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
«НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Разработанные в ИФПМ СО РАН в течение последних 12 лет подходы к
направленному воздействию на микроорганизмы с помощью с
низкоразмерных электроположительных структур показали их высокую
эффективность и практическую значимость.
• Развитие данного направления является перспективным для решения
актуальных проблем медицины и биотехнологий.
• Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал)
Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13
• Интеллектуальная собственность (перевязочный материал)
Зарубежные патенты: 4; Патенты РФ: 2
• Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке
программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО
РАН, РФФИ, Федеральным целевым программам
• Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках
сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай»
Спасибо за внимание!
Лернер Марат Израильевич
д.т.н., зав. лабораторией физикохимии высокодисперсных
материалов Института физики прочности и
материаловедения СО РАН
634021 г.Томск, пр. Академический 8/2
Тел. (3822) 492619, факс (3822) 491726.
e-mail: [email protected]
Электроположительные свойства
Зависимость дзета-потенциала
частиц оксигидроксида
алюминия от количества
адсорбированного
бактериофага MS2 на их
поверхности.
Зависимость величины дзета потенциала частиц
оксигидроксида алюминия от
ионной силы раствора; СKCl —
концентрация KCl в растворе,
моль/л.
Основные стадии изготовления материала
Нанесение
суспензии
наночастиц
Формирование
низкоразмерных структур,
прессование
Готовый
материал
Водоочистители AquaVallis
Нанофильтровальный материал AquaVallis
AquaVallis – это новый композитный материал на основе полимерных
микроволокон с нано-активными центрами сорбции вирусов и бактерий.
На фильтровальный материал AquaVallis получен гигиенический
сертификат, разрешающий его применения в системах очистки
питьевой воды.
Нанофильтровальный материал AquaVallis
Фильтровальный
материал
CUNO
(2 mm толщина)
MILLIPORE
(мембрана с размером пор
25 nm)
AquaVallis
(2 mm толщина )
Скорость
фильтра-ции,
см/сек
Эффективность сорбции
бактериофага MS2, %
Цена,
USD/m3
1.0
99.0
720 000
0.003
100
511 000 –
2 980 000
(removes particles
with size  25 nm)
1.0
99.99 – 100
300 000
AquaVallis фильтровальный материал удовлетворяет требованиям управления по
охране окружающей среды и Оборонным спецификациям США, предъявляемым к
микробиологическим водоочистителям.
Заключение
•
•
•
•
Разработан фильтровальный материал для удаления бактерий и вирусов из
водных сред с эффективностью 99,99 %.
Фильтры на основе материала пригодны для использования для стерилизации
водных сред в фармацевтической промышленности и в медицине.
Разработан антисептический материал нетоксического действия - в составе
материала отсутствуют антибиотики и антисептики; механизм действия
материала основан на электропозитивной сорбции, в том числе и резистентных
штаммов микроорганизмов из раны, и последующей их дезактивации в объеме
материала.
Клиническое применение материала показало его высокую эффективность в
отношении лечения инфицированных ожогов II-III степени, пролежней,
трофических язв, рожистых воспалений, ведения инфицированных
хирургических и бытовых ран.
• Работы выполнялись в ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке
программ РАН и отделений РАН, междисциплинарным проектам СО РАН,
РФФИ, Федеральным целевым программам
• Организация опытно-промышленного производства ведется в рамках
сотрудничества с ОАО «ФНПЦ «Алтай»
Интеллектуальная собственность (фильтровальный материал)
Зарубежные патенты: 5; патенты РФ: 13
Интеллектуальная собственность (перевязочный материал)
Зарубежные патенты: 1; Патенты РФ: 2