Post on 24-Jan-2021
II
UNIVERZA V LJUBLJANI
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Daniel KRKLEC
UPORABA NANOMATERIALOV ZA
NEVROPROTEKTIVNOST
DIPLOMSKO DELO
Univerzitetni študij - 1. stopnja
Ljubljana, 2019
III
UNIVERZA V LJUBLJANI
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Daniel KRKLEC
UPORABA NANOMATERIALOV ZA NEVROPROTEKTIVNOST
DIPLOMSKO DELO
Univerzitetni študij - 1. stopnja
THE USE OF NANOMATERIALS FOR NEUROPROTECTIVITY
B. SC. THESIS
Academic Study Programmes
Ljubljana, 2019
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
II
Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje
Biotehnologija.
Študijska komisija 1. in 2. stopnje študija biotehnologije je za mentorja diplomskega dela
imenovala prof. dr. Damjana Drobne.
Komisija za oceno in predstavitev:
Predsednik: prof. dr. Polona JAMNIK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo
Član: prof. dr. Damjana DROBNE
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Član: prof. dr. Jana MUROVEC
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo
Datum predstavitve: 11.9.2019
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
III
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Du1
DK UDK 606:61:620.3(043.2)
KG nanodelci, nevrodegenerativne bolezni, terapija, nanomedicina, cerijev oksid
AV KRKLEC, Daniel
SA DROBNE, Damjana (mentor)
KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, Univerzitetni
študijski program prve stopnje Biotehnologija
LI 2019
IN UPORABA NANOMATERIALOV ZA NEVROPROTEKTIVNOST
TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja)
OP VI, 18 str., 3 sl., 66 vir.
IJ sl
JI sl/en
AI S staranjem prebivalstva postajajo nevrodegenerativne bolezni vse pogostejši pojav v
moderni družbi, saj je pogostost pojava bolezni veliko večja pri starejših. Trenutno še
ne poznamo ustreznih metod zdravljenja, saj ne moremo priti z zdravili v možgane.
Predvidevajo, da bi v naslednjem stoletju, če ne najdemo zdravila lahko
nevrodegenerativne bolezni dohitele rak po številu smrti starostnikov. Eden od
kandidatov za zdravila so zaradi svoje majhnosti nanodelci. Lahko bi jih uporabili za
prečkanje krvno-možganske pregrade ali pa jih uporabili kot nosilce in bi z njihovo
pomočjo prenesli zdravila v prizadete dele. Nanomateriali predstavljajo širok spekter
različnih snovi. Zaradi tega je tudi njihovo delovanje možno na več načinov. Lahko
delujejo kot antioksidanti, kot zaviralci nadaljnjega razvoja bolezni ali pa kot snovi, ki
bolezensko stanje pozdravijo. Kot pomemben antioksidant je izpostavljen cerijev
oksid, ki zaradi svojih regenerativnih sposobnosti zahteva le eno doziranje.
Raziskovalci so že dobili številne pozitivne rezultate s testiranji na modelnih
organizmih in tkivnih kulturah. Trenutno pa so nadaljnje raziskave na ljudeh omejene,
saj še ne poznamo najbolje možnih strupenih učinkov nanodelcev na človeško telo.
Vseeno pa ob ustreznih doziranjih še ni bilo opaženih akutnih strupenih učinkov in
zato nanodelci predstavljajo velik up, da postanejo prve zdravilne učinkovine, ki bi
delovale proti nevrodegenerativnim boleznim.
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
IV
KEY WORDS DOCUMENTATION
ND Du1
DC UDC 606:61:620.3(043.2)
CX nanoparticles, neurodegenerative diseases, therapy, nanomedicine, cherium oxide
AU KRKLEC, Daniel
AA DROBNE, Damjana (supervisor)
PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Academic Study Programme in
Biotechnology
PY 2019
TI THE USE OF NANOMATERIALS FOR NEUROPROTECTIVITY
DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes)
NO VI, 18 p., 3 fig., 66 ref.
LA sl
AL sl/en
AB The human population is geting older on average and because of this the prevalence of
neurodegenerative diseases is getting higher. Currently there is no known available for
this type of disase. This is mainly caused by the fact that we can not enter the brain
with potential therapeutics. Both facts lead to predictions that neurodegenerative
diseases might overtake cancer as the leading reason of elderly death. Nanoparticles
are a candidate to become the cure for this because of their small size. We could use
them to cross the blood brain barrier themselves or to carry other therapeutics across.
Nanomaterials represent a big specter of different substances so their potential usage is
different. They can be used as antioxidants, as disease inhibitors or as a cure for the
disease. Cherium oxide is highlighted as the most important nanoparticle antioxidant
so far because it only requires one dosage as the particles possess the ability of
regeneration. Researchers have already aquired numerous positive results with tests on
model organisms and tissue cultures. Currently there are no researches taking place on
humans as there is still a lot unknown about the potential toxic effect on the particles
on human bodies. Nonetheless there are no known records of acute toxicity if the right
dose of nanoparticles is being used so they represent a big hope of becoming the first
therapeutics for neurodegenerative diseases.
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
V
KAZALO VSEBINE
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III
KEY WORDS DOCUMENTATION IV
KAZALO VSEBINE V
KAZALO SLIK VI
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI VI
1 UVOD 1
1.1 NAMEN IN POVOD DELA 1
2 UPORABA NANOMATERIALOV ZA NAMENE
NEVROPROTEKTIVNOSTI
1
2.1 NANOTEHNOLOGIJA 2
2.2 ALZHEIMERJEVA BOLEZEN 3
2.2.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje Alzheimerjeve bolezni 4
2.3 PARKINSONOVA BOLEZEN 4
2.3.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje Parkinsonove bolezni 5
2.4 PRIONSKE BOLEZNI 5
2.4.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje prionskih bolezni 6
2.5 AMIOTROFIČNA LATERALNA SKLEROZA 6
2.5.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje amiotrofične lateralne
skleroze
6
2.6 KRVNO-MOŽGANSKA PREGRADA 7
2.6.1 Prehajanje skozi krvno-možgansko pregrado 7
2.6.2 Absorpcijska transcitoza 8
2.6.3 Receptorska transcitoza 8
2.7 STRUPENOST NANODELCEV 9
2.8 UPORABA NANODELCEV PROTI TVORJENJU REAKTIVNIH
KISIKOVIH SPOJIN
10
2.8.1 Cerijev oksid 10
2.8.2 Oksidativni stres 11
2.8.3 Biološki učinki nanodelcev cerijevega oksida 11
3 ZAKLJUČEK 13
4 VIRI 14
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
VI
KAZALO SLIK
Str.
Slika 1: različni tipi nanodelcev namenjenih za medicinsko uporabo. Predstavljena je
morfologija tistih, ki so največkrat uporabljeni za namene terapije in diagnosticiranja
nevrodegenerativnih bolezni
2
Slika 2: možne poti prehoda skozi krvno-možgansko pregrado 8
Slika 3: človeška izpostavljenost nanodelcem, njihovi glavni antropogeni viri, izpusti
ter potencialna nevarnost izpostavljenosti glede na način vstopa nanodelcev v telo
10
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
ND nanodelci
NM nanomateriali
CŽS centralni živčni sistem
NB nevrodegenerativne bolezni
AB Alzheimerjeva bolezen
PB Parkinsonova bolezen
KMP krvno-možganska pregrada
β beta
APP amiloidni prekurzorski protein
NL nanoliposomi
Pr B prionske bolezni
PP prionski protein
ALS amiotrofična lateralna skleroza
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
1
1 UVOD
1.1 NAMEN IN POVOD DELA
Nanotehnologija zajema raziskave in tehnologijo razvoja materialov, katerih velikost ne
presega nivoja stotih nanometrov. Nanodelci (ND) so po definiciji delci, ki imajo dolžino 1-
100 nanometrov v dveh ali treh dimenzijah (ASTM 2456-06, 2006). Poznamo pa tudi
nanomateriale (NM). Mednarodna organizacija za standardizacijo (angl. International
Organisation for Standardisation) definira NM kot material z vsaj eno zunanjo dimenzijo
nanovelikosti (1–100 nm) ali z notranjo ali površinsko strukturo nanovelikosti (SIST-TS CEN
ISO/TS 80004-1, 2016). Poznamo takšne, ki so že sami po sebi prisotni v naravi in umetno
izdelane. Zaradi tega, ker so tako majhni, imajo veliko raznolikost v svojih lastnostih. Ena
od potencialnih uporab pa je tista v medicini. Ključni lastnosti, ki imata potencial v reševanju
medicinskih problemov, sta majhnost in zaradi tega sposobnost prodiranja skozi določene
prepreka ter velika aktivna površina (Singh in sod., 2007).
S povečevanjem povprečne življenjske dobe in predvidenimi spremembami v demografiji
prebivalstva, pričakujemo v 21. stoletju povečan pojav bolezni centralnega živčnega sistema
(CŽS). Največji izziv med temi pa so nevrodegenerativne bolezni (NB), ki povzročijo z leti
postopno znižano nevronsko funkcijo, pogosto pa je epilog tudi propad nevronskih celic. Med
bolj znane sodijo Alzheimerjeva (AB), Parkinsonova (PB) in Huntingtonova bolezen. Čeprav
so mehanizmi teh bolezni precej dobro poznani, pa je zdravljenje zaenkrat še nerešljiva
uganka (Fernandes in sod., 2009).
Stvar, ki najbolj otežuje zdravljenje, je prisotnost krvno možganske pregrade (KMP), katera
preprečuje prehod večini potencialnih zdravilnih učinkovin (Abbott in sod., 1999). ND,
predvsem zanimivi so umetno sintetizirani, saj lahko pri njih kontroliramo želene lastnosti,
kažejo sposobnost prečkanja te pregrade ali pa s svojimi lastnostmi omogočijo prehod drugim
zdravilnim učinkovinam. S tem bi bil omogočen prehod zdravilnih učinkovin do tarčnih
nevronskih celic in te bi tako lahko potencialno omogočale zdravljenje ali pa celo
regeneracijo celic (Gabathuler, 2009).
Namen diplomskega dela je pregled obstoječe literature, ki opisuje metode za vnos in način
delovanja, s katerim bi ND lahko bili uporabljeni za terapijo prizadetih nevronskih celic, ter
opis potencialnih zdravljenj različnih vrst NB.
2 UPORABA NANOMATERIALOV ZA NAMENE NEVROPROTEKTIVNOSTI
2.1 NANOTEHNOLOGIJA
Nanotehnologija zajema procese izdelovanja in manipuliranja delcev, katerih dimenzije se
gibljejo na nanometrski ravni. Takšni delci imajo tudi veliko aktivno površino in katalitično
aktivnost. Če k temu dodamo tudi njihovo izredno majhnost, ne preseneča dejstvo, da je bilo z
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
2
njihovo pomočjo revolucionirano veliko komercialnih produktov in procesov. Z njihovim
delovanjem se je izboljšala marsikatera lastnost npr. fotoreaktivnost, sprememba strukture
materiala, povečan efekt katalize itd. Predvideva se, da bi lahko te uporabne lastnosti ND
prenesli tudi na nivo celic, tkiv in organizmov, saj uporaba v tem področju zaostaja za
drugimi komercialnimi aplikacijami. Velik pomen imajo tukaj umetno sintetizirani ND, saj bi
lahko z njimi načrtno uravnavali ustrezno velikost in katalitično aktivnost. Takšni produkti
imajo potencial postati zdravilne učinkovine, ugotavljajo Singh in sod. (2007).
Slika 1: različni tipi nanodelcev namenjenih za medicinsko uporabo. Predstavljena je morfologija tistih, ki
so največkrat uporabljeni za namene terapije in diagnosticiranja nevrodegenerativnih bolezni (prirejeno
po Re in sod., 2012)
NB naj bi zaradi posledic staranja prebivalstva do leta 2040 prehitele rak in postale najbolj
pogost vzrok smrti med starejšimi, predvidevata Lilienfeld in Perl (1993). Gre za bolezenske
pojave, ki predstavljajo veliko nevarnost človeškemu zdravju. NB so raznovrstne v svojem
delovanju, nekatere povzročajo spominske in kognitivne oslabitve, druge pa vplivajo na
sposobnost premikanja, govorjenja in dihanja. Gitler in sod. (2017) ugotavljajo, da bodo
efektivna zdravljenja, ki so zelo potrebna, prišla le z globljim razumevanjem vzrokov in
mehanizmov delovanja vsake bolezni. Kot enega izmed načinov kako spoznati način
delovanja bolezni izpostavljajo vzpostavitve modelnih sistemov, s katerimi bi spoznali
ključne karakteristike bolezni. Do zdaj so npr. prišli do pomembnih spoznanj s spremljanjem
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
3
vpliva na miših, vinskih mušicah, nematodah in kvasovkah. Z moderno tehnologijo pa Han in
sod. (2011) poročajo tudi o možnosti tvorjenja induciranih pluripotentnih matičnih celic, ki bi
jih pridobili iz diferenciranih človeških celic in s katerimi bi lahko oblikovali specifične
celične linije za vsakega pacienta, kar bi tvorilo človeške modele za človeško bolezen.
2.2 ALZHEIMERJEVA BOLEZEN
AB je vrsta NB, za katero je značilna postopna izguba spomina in ostalih kognitivnih funkcij.
Končni rezultat AB je demenca (Gotz in sod., 2009). Pri AB sta v možganih prisotna Aβ
peptid in z mikrotubuli povezan interferon tau, pri katerih pride do sprememb v terciarni
strukturi. To vodi do spremenjene vezave in odlaganja (Selkoe, 1997). Aβ izhaja iz
amiloidnega prekurzorskega proteina (APP) in je pomembna sestavina β amiloidnega plaka.
Hiperfosfoliran tau pa je pomemben gradnik nevrofibrilarnih zapletov (Avila, 2006). Majhni
agregati Aβ peptida so trenutno obravnavani kot glavni krivci za sinaptične poškodbe in
postopno slabšanje spomina (Ittner in Gotz, 2011). Za večino primerov, kjer se AB deduje je
bila identificirana mutacija v genu za APP in v genih, ki kodirajo APP proteaze. Mutacije v
genu tau pa so značilne za frontotemporalno demenco, ki je druga najpogostejša oblika
demence (Lee in sod., 2001).
AB je najpogostejša oblika NB. Kot ugotavljata Selkoe in Lansbury (1999), ima, glede na
izsledke raziskav, v Združenih državah Amerike (ZDA) 2,5 % ljudi, starih med 65 in 74, let
diagnosticirano senilno demenco, ki je ključni simptom AB. V starostnem obdobju med 75 in
79 let naraste število obolelih na 4 %, v starostnem obdobju med 80 in 84 let je obolelih 11 %
in starostnem obdobju med 85 in 93 let kar 24 %. Od vseh teh pacientov so AB dokazali pri
55 %, pri ostalih pa še ni prišla do tako napredne stopnje, da bi lahko bila diagnosticirana.
Avtorja predvidevata, da ima vsaj blago obliko stopnje AB samo v ZDA kar od 3 do 4
milijone ljudi.
2.2.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje Alzheimerjeve bolezni
Trenutno so strategije uporabe ND za zdravljenje AB večinoma osredotočene na to, da delci
interferirajo z Aβ agregacijo ali pa da sekvestrira peptid, ne le v CŽS ampak tudi v krvi. S tem
bi želeli zmanjšati nivo bolezni povzročajočih proteinov v možganih (Matsuoka in sod.,
2003). Nanoliposomi (NL), ki so funkcionalizirani z dodatkom fosfatne kisline ali s
kardiolipinom in bi lahko znižali nivo Aβ, so bili razviti s strani Gobbija in sodelavcev
(2010). Kasneje so dokazali, da imajo NL visoko afiniteto za Aβ in znižajo njihovo strupenost
in vitro (Bereczki in sod., 2011). Podobno so Canovi in sod. (2011) sintetizirali NL z
vključenim anti-Aβ monoklonalnim protitelesom. Ta je kazal visoko afiniteto za vezavo s Aβ
tako in vitro kot ex vivo na posmrtnih možganskih analizah. Mourtas in sodelavci (2011) so
razvili NL z dodanim derivatom kurkuminom, ki je vezal Aβ z visoko afiniteto in preprečil
njihovo agregacijo in vitro.
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
4
Drugačen pristop uporabe ND pa je osredotočen na zdravljenje simptomov, tako da so
nevronske celice zaščitene pred oksidativnim stresom. Uporaba metalnih kelatorjev za zaščito
je omejena, ker so strupeni. Predvsem problematična je strupenost, ki prizadene organizem,
ker omejuje pravilno delovanje jetrnih in nevronskih celic (Liu in sod., 2009). Liu in sod.
(2009) pa so pripravili polistirenske NM konjugirane z železovim kelatorjem 2-metil-N-
2'aminoetil-3-hidroksil-4-piridinon in demonstrirali njihovo zmožnost zaščite nevronskih
celic pred Aβ negativnimi efekti strupenih delcev ter inhibirati njihovo agregacijo in vitro. To
jim je uspelo doseči brez stranskih učinkov na celično rast in proliferacijo. Pri drugem
pristopu so uporabljeni ND s prevleko iz polisorbat 80 poli(n-butilcianoakrilat) za dostavo
takrinov v možgane. To so inhibitorji acetilholinskih esteraz s katerimi upajo, da bodo
izboljšali ostanek kognitivne funkcije pri živalskih modelih z AB (Wilson in sod., 2008).
2.3 PARKINSONOVA BOLEZEN
Leta 1817 je James Parkinson prvič opisal bolezensko stanje, ki je imenovano po njem. Gre
za NB neznanega vzroka, ki je prisotna pri več kot milijonu bolnikov v ZDA, v svetovni ravni
pa se predvideva, da je prisotna pri 1– 2 % ljudeh starejših od 65 let (Bennet in sod., 1996).
Edini zanesljiv rizični faktor je starost. Zaradi splošnega pojava povišane povprečne starosti
prebivalstva, se predvideva, da se bo pogostost bolezni v prihodnosti zviševala. Bolnik, s
(PB), ima kar 2 do 5-krat višjo verjetnost za smrt v primerjavi s prebivalstvom, ki ni zbolelo
za PB (Bennet in sod., 1996).
PB je progresivno bolezensko stanje, ki se praviloma pojavlja pri starejšem prebivalstvu. Pri
bolezni pride do izgube dopaminergističnih nevronov, imenovanih substantia nigra, v predelu
možganov, kar povzroča težave pri nadzorovanju premikanja delov telesa. Eden od glavnih
znakov bolezni pa je pojav citoplazmatskih vključkov imenovanih Lewy-jeva telesca v
možganih obolelih. Gre za delce sestavljene iz 50–700 nm dolgih filamentov proteina α-
sinukleina (Spillantini in sod., 1997). Predvideva se, da so v nevronsko smrt pri PB vključeni
številni faktorji kot so stres v endoplazmatskem retikulumu in nepravilno delovanje
proteosomov ter mitohondrijev (Cole in Murphy, 2002).
2.3.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje Parkinsonove bolezni
Za zdravljenje PB se lahko uporablja dostava in sproščanje dopamina v možganih, za kar so
pogosto uporabljeni ND (Modi in sod., 2010). Trapani in sod. (2011) so pripravili hitozanske
ND z dopaminom adsorbiranim na zunanjo površino. In vivo eksperimenti s podganami so
pokazali, da je dopamin vezan na ND manj strupen za organizem, doseže možgane, njegova
koncentracija v tarčnem območju možganov pa se zviša za več, kot če dopamin, ki ni vezan
na ND. ND so bili uporabljeni tudi kot transfekcijska orodja za gensko zdravljenje proti PB.
Uporabljeni so bili kot alternativa virusom, da se je zmanjšalo tveganje za obsežen imunski
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
5
odziv ter mutagenezo. Huang in sod. (2010) so uporabili z laktoferinom obdelane ND, ki so
enkapsulirali možganski nevrotrofični faktor. Dobili so znatne izboljšave pri motorični
aktivnosti, zmanjšali so nevronsko izgubo in povišali raven dopamina v možganih miši s PB.
2.4 PRIONSKE BOLEZNI
Prionske bolezni (Pr B) so ena izmed NB, ki so prenosljive.. Gre za letalno obliko bolezni,
prisotno pri ljudeh in živalih. Vzrok za pojav so infektivne patogene oblike proteinov
imenovanih prioni. So edinstvena oblika infektivnih proteinskih patogenov, ki povzročijo
letalne oblike NB s povsem novih mehanizmom delovanja (Prusiner, 1998). V istem
znanstvenem delu navajajo, da lahko Pr B povzročijo genetske, infektivne ali sporadične
motnje, pri vseh pa je prisotna modifikacija prionskega proteina (PP). Med prvotno raziskane
in bolj znane sodi Creutzfield-Jakobova bolezen. Za to bolezen je značilna dolga inkubacijska
doba, ki lahko traja tudi do 40 let. Ko se pojavijo simptomi, ki so posledica propadanja
možganskih celic, obolela oseba navadno umre v obdobju enega leta. Ta oblika bolezni se
pojavlja le pri ljudeh. Pri živalih sta poznani dve obliki prionske bolezni: bovinska
spongiformska encelopatija, prisotna pri govedu in praskavec pri ovcah. Pr B rezultirajo v
akumulaciji napačno zloženih izoformnih oblik PP (Norrby, 2011). Prusiner (1998) navaja, da
so prioni prenosljivi delci, ki ne vsebujejo nukleinskih kislin in so sestavljeni zgolj iz
modificiranih proteinov. Normalni PP so pretvorjeni v modificirane skozi posttranslacijske
procese. Gre za bolezenska stanja, za katera trenutno še ni široko dostopne učinkovite
terapije, zaradi splošnega staranja prebivalstva pa se pogostost bolezni viša.
2.4.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje prionskih bolezni
In vitro študije nakazujejo, da so različni poliaminski dendrimeri zmožni odstraniti patogene
prionske izoforme iz okuženih celic na način, da jih prisilijo v lizosomalno razgradnjo. Glede
na predvidevanja, da je vpliv poliaminskih dendrimerov odvisen od pozitivnih nabojev so
Lim in sod. (2010) pripravili trajno pozitivno nabite poliamine, ki so se izkazali za manj
strupene. Ai Tram in sod. (2010) so razvili delce zlata z večplastno polielektrolitsko prevleko
z dvema terapevtsko pomembnima skupinama na površini. Gre za sulfonate in primarne
amine, ki so zmožni obdržati koncentracijo patogenih PP v nevroblastomskih celicah na zelo
nizkem nivoju. Sousa in sod. pa so ugotovili, da lahko ND iz zlata, kateri vsebujejo
površinsko prisotne enake skupine kot zgoraj omenjene, prečkajo mišjo KMP in vstopijo v
definirane nevronske strukture blizu področij, v katerih se vrši agregacija PP. Ta pristop bi
lahko bil uporabljen tudi v diagnostiki Pr B.
2.5 AMIOTROFIČNA LATERALNA SKLEROZA
Amiotrofična lateralna skleroza (ALS) je idiopatska, letalna NB, ki prizadane človekov
gibalni oz. motorični sistem. Prvič je bolezen pred približno 150 leti opisal Jean Martin
Charcot, samo razumevanje bolezni pa se je povečalo v devetdesetih letih prejšnega stoletja.
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
6
Trenutno za bolezen še ni znane terapije, čeprav se je v zadnjem času povečalo poznavanje
genetskih faktorjev, ki povzročajo bolezen, kar je spodbudilo upanje v iskanju ustrezne rešitve
(Kiernan in sod., 2013). ALS prizadane 1– 2 osebi na 100,000 oseb vsako leto. Kiernan in
sod. (2013) poročajo tudi, da je značilni znak bolezni selektivna smrt motoričnih nevronov v
možganih in hrbtenjači, kar vodi v paralizo mišic, ki so pod našim zavednim nadzorom.
Poročajo tudi, da bi naj okoli 20 % primerov ALS, ki se dedujejo, povzročilo mutacijo v
SOD1 genu, ki kodira encim superoksid dismutazo. Gre za pomemben encim, ki katalizira
razpad superoksidnega aniona na vodikov peroksid, kar je pomembno predvsem pri obrambi
celice pred oksidativnim stresom. Posledično mutiran SOD1 gen proizvaja strupene proste
radikale. Mutacija tvori tudi intracelularne tvorbe, ki inhibirajo šaperone in preteosomsko
aktivnost, kar vodi v kasnejšo napačno zvitje in nezadostno razgradnjo številnih proteinov.
2.5.1 Uporaba nanotehnologije za zdravljenje amiotrofične lateralne skleroze
Trenutno ni znano veliko metod, s katerimi bi bil omogočen napredek v zdravljenju ALS.
Bondi in sod. (2010) so pripravili trdne lipidne ND, ki so vsebovali zdravilo riluzol, s katerim
se borijo proti ALS. Po informacijah, ki so jih pridobili Miller in sod. (2002), naj bi dnevna
doza 100mg ribuzola podaljšala življenjsko dobo pacientov za 2 do 3 mesece. Z uživanjem
zdravila naj bi bila traheostomija ali mehanska ventilacija, ki bolniku pomaga pri dihanju,
potrebna kasneje. ND, ki so jih pripravili Bondi in sod. (2010) so pokazali visoko zmožnost
nalaganja zdravila, večjo učinkovitost in višjo sposobnost prenosa zdravilnih učinkovin v
možgane kot, pri vnosu zdravila, ki ni vezano na ND. Gre za trenutno najbolj perspektivno
metodo, s katero se trudijo najti ustrezno terapijo.
2.6 KRVNO-MOŽGANSKA PREGRADA
Žile so glavni prinašalci kisika in ostalih hranil v vsa tkiva ter organe v našem telesu. KMP so
žile, ki obkrožajo CŽS in vsebujejo unikatne lastnosti. Tem žilam je omogočena čvrsta
regulacija prehajanja ionov, molekul in celic med krvjo in možgani. Natančno kontroliranje
homeostaze v KMP omogoča normalno nevronsko funkcijo in ščiti nevronsko tkivo pred
negativnimi efekti strupenih delcev in patogeni, pregrada pa ima tudi pomembno funkcijo v
patologiji in napredovanju različnih nevronskih bolezni (Daneman in Prat, 2015). Avtorja
omenjata tudi, da je fiziološka pregrada opremljena s številnimi fiziološkimi, transportnimi in
metabolnimi lastnostmi, ki jih omogočajo endotelijske celice, katere tvorijo stene žil.
Poudarjata, da je razumevanje usklajevanja različnih tipov celic in njihovih interakcij zelo
pomembno pri poznavanju delovanja možganov v normalnih razmerah in v bolezenskem
stanju.
Ta velika restriktivna kapaciteta omogoča endotelijskim celicam KMP tesno regulacijo
homeostaze v okolju, ki obdaja CŽS. Funkcionalna kompleksnost je pripisana predvsem
endotelijskim celicam, ki omejujejo trans-celularni prehod in s tem zmanjšajo paracelularni
fluks. Omejenost KMP omogoča oviro pri prenosu zdravil v CŽS, zato se mnogo raziskav
osredotoča na ustvarjanje metod, s katerimi bi prišli preko pregrade ali pa bi jo zaobšli in s
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
7
tem dostavili zdravila na ustrezna mesta (Larsen in sod., 2014). Bolezenska stanja, ki
prizadenejo CŽS kot so možganska kap, multipla skleroza, možganske travme in NB pa
povzročijo izgubo omejenosti KMP in s tem preprečujejo njihovo zmožnost ustvarjanja
homeostaze. To je pri teh stanjih velik razlog za napredovanje samih bolezni. (Zlokovic,
2008). Isti avtor opozarja tudi, da lahko nepravilno delovanje KMP vodi v nepravilno
regulacijo ionov, spremenjeno signaliziranje homeostaze kot tudi vstop imunskih celic in
molekul v CŽS. Zaradi tega lahko pride do nepravilnega delovanja nevronov in njihovo
degeneracije.
2.6.1 Prehajanje skozi krvno-možgansko pregrado
Za obhod KMP so uporabili številne pristope, med katerimi so invazivne tehnike, kemijske
modifikacije zdravil in in silico tehnike, s katerimi so želeli molekulam povečati prehodnost.
(Patel in sod., 2009). V tem članku so navedli tudi poskus s t.i. pristopom »Trojanskega
konja«, s katerim bi substanco, ki ne prehaja skozi KMP, združili s takšnimi, ki ima to
sposobnost. Poskusili so tudi z alternativnimi potmi vnosa npr. intranazalno skozi nosno
votlino, vendar tovrstni pristopi niso imeli želenega učinka.
Trenutno najbolj je obetaven pristop z uporabo ND, ki so oblikovani na način, da sprožijo
interakcijo s celicami KMP na molekularnem nivoju. S tem so izkoriščeni obstoječi fiziološki
mehanizmi transporta, brez vpliva na normalno delovanje pregrade. Receptorsko in
absorptivno posredovana transcitoza sta najbolj spodbudna mehanizma za potencialno
uporabo transcelularnega transporta ND iz krvi v možgane (Bhaskar in sod., 2010). V članku
Bhaskar in sod. (2010) opozarjajo tudi na to, da je potrebno pozornost posvetiti tudi številnim
potencialnim težavam. ND morajo nositi vsaj funkcionalne skupine namenjene ciljanju in
prečkanju KMP. Biti morajo tudi obstojni v krvi, da se njihova koncentracija pri prehodu ne
zmanjša preveč. ND morajo biti tudi nestrupeni, biorazgradljivi ter biokompatibilni in ne bi
smeli izzvati vnetnega ter imunskega odziva.
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
8
Slika 2: možne poti prehoda skozi krvno-možgansko pregrado (prirejeno po Abbott in sod., 2006)
2.6.2 Absorpcijska transcitoza
Absorpcijska transcitoza temelji na elektrostatični interakciji liganda z naboji izraženimi na
luminalni površini endotelijskih celic. Peptidi, ki penetrirajo v celice in kationski proteini so
pogosto prisotni na površini ND in omogočajo prehod skozi KMP (Bhaskar in sod., 2010).
2.6.3 Receptorska transcitoza
Receptorska transcitoza je fiziološki mehanizem, ki je bolj podrobno raziskan od absorpcijske
transcitoze in temelji na prisotnosti receptorjev, ki so visoko izraženi na celicah KMP. Ti
receptorji selektivno vodijo funkcionalizirane ND skozi endotelij KMP. Inzulin, transferin,
apoliprotein E in α2- makroglobulin so neki od proteinov, ki dosežejo možgane z receptorsko
transcitozo (Gabathuler, 2009). Te proteine lahko uporabimo tudi za funkcionalizacijo
površine ND, da bi povečali njihove možnosti za prehod KMP (Kim in sod., 2007).
Tudi nekatera monoklonska protitelesa, ki so usmerjena na receptorje na KMP, so podvržena
receptorski transcitozi. Npr. OX26, 8D3 in R17217 protitelesa se vežejo na transferinske
receptorje, zraven se izognejo tekmovanju z endogenim transferinom v krvi, ker prepoznajo
različne epitope (Ulbrich in sod., 2009). Pri sintezi zdravil z omogočenim prehodom skozi
KMP, lahko uporabijo tudi protitelesa, ki so usmerjena na inzulinske receptorje (Boado,
2008.)
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
9
2.7 STRUPENOST NANODELCEV
ND so na biomedicinskem področju vedno pogosteje uporabljeni. Težavo predstavlja dejstvo,
da je malo znanega o njihovi potencialni nevarnosti za človeško zdravje, posebej o njihovih
učinkih na CŽS (Kim in sod., 2007). Znanih je več kot tisoč različnih ND, smernice, s
pomočjo katerih bi ocenjevali njihovo potencialno strupenost, pa še niso dobro zastavljene.
Način vnosa ND skupaj z njihovimi lastnostmi kot so kemijska sestava, velikost, oblika ali
morfologija, naboj in površina, lahko vplivajo na njihovo biološko aktivnost in učinke.
Majhna velikost ND omogoča prehode v telo skozi različne pregrade, da se prebijejo do krvi
in limfnega sistema, od koder lahko dosežejo organe in tkiva, kjer pa lahko interagirajo z
biološkimimi strukturami in poškodujejo njihove normalne funkcije na različne načine
(Zoroddu in sod., 2014). Avtorji opozarjajo tudi na sposobnost delcev, da preidejo v telo na
različne načine ter možnost, da se v telesu kopičijo. Glavni načini s katerimi ND preidejo v
človeško telo so z inhalacijo preko respiratornega trakta, s pronicanjem skozi kožo in z
zaužitjem skozi prebavni trakt.
Velikost ND, ki vpliva na aktivno površino, je predvsem pomembna pri določanju
reaktivnosti delcev. Velikost lahko vpliva na področja v telesu, ki so nato podvržena
strupenim učinkom. Manjši kot so delci, večje je razmerje med površino in volumnom, zaradi
česar se poveča reaktivnost. Znana je na primer raziskava o porazdelitvi zlatih ND po telesu
glede na njihovo velikost. Delci, ki so merili do 10 nm so bili najdeni v organih po celem
telesu, medtem ko so večji delci dimenzij od 50 do 250 nm bili najdeni le v jetrih, vranici in
krvi. Raziskava je potekala na miših, vnos je bil intravenozen (De Jong in sod., 2008).
Pri ND pa je velika skrb tudi njihova potencialna rakotvornost. Raziskana je bila rakotvornost
nikljevih delcev. Rezultati raziskave so pokazali, da je rakotvorna aktivnost odvisna predvsem
od velikosti delcev in njihove topnosti v vodi. V epitelne celice so preko endocitoze sposobni
priti zgolj delci manjši od 200 nm, medtem ko večje ponavadi fagocitirajo makrofagi. Vpliv
ima tudi naboj delcev. Pozitivno nabiti delci ne vstopajo v celice, nasprotno pa velja za
negativno nabite delce , ki vstopijo s fagocitozo (Heck in Costa, 1983). Po vstopu v celico se
lahko delci raztopijo v kislem pH območju v vakuolah. Na ta način se sprošča kontinuiran vir
Ni2+
ionov, ki lahko dosežejo jedrne komponente celic in tam sprožijo različne negativne
vplive s pomočjo direktnih in indirektnih mehanizmov (Zoroddu in sod., 2002). Ti vključujejo
epigenetske vplive na kromatin, posebej vplivajo na acetilacijo in metilacijo histonov, začetek
tvorjenja mutagenov, nepravilno delovanje DNK popravnih mehanizmov … Na vse te načine
so lahko nikljevi ND odgovorni za rakotvorno aktivnost (Broday in sod., 2000).
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
10
Slika 3: človeška izpostavljenost nanodelcem, njihovi glavni antropogeni viri, izpusti ter potencialna
nevarnost izpostavljenosti glede na način vstopa nanodelcev v telo (prirejeno po Zoroddu in sod., 2014)
2.8 UPORABA NANODELCEV PROTI TVORJENJU REAKTIVNIH KISIKOVIH SPOJIN
Nanotehnologija je skozi čas ponudila že nekaj možnosti, s katerimi je možno učinkovito
zmanjšati poškodbe celic, do katerih pride zaradi tvorjenja prostih radikalov pri oksidativnem
stresu. Kljub temu je trenutno njihova uporaba v medicini na zanemarljivem nivoju. Povečan
oksidativni stres in posledično nastanek prostih radikalov je povezan z nevrodegenerativnimi
stanji kot so na primer staranje, travma možganov, AB in PB (Singh in sod., 2007). Avtorji
kot potencialno rešitev predstavijo ND cerijevega oksida. Cilj tovrstnih študij je predvsem ta,
da bi nanotehnologija prinesla nove pristope k zdravljenju nevrodegenerativnih sprememb in
da bi bilo na trgu prisotnih več zdravil, ki vsebujejo ND.
2.8.1 Cerijev oksid
Cerij je redka zemeljska kovina, ki spada v skupino lantanoidov. Njegovi oksidi imajo
značilno rešetkasto strukturo (Trovarelli, 2002). V obliki oksidovih ND lahko cerijev atom
obstaja v +3
(polno reducirani) in +4
(polno oksidirani) obliki, ter lahko med njima prehaja
(Zhang in sod., 2004). Cerijev oksid vsebuje tudi kisikova prosta mesta oz. napake v svoji
strukturi, ki so posledica izgube kisika in/ali njegovih elektronov. Med reakcijami s cerijem se
ustvarjajo in izginjajo ta prosta kisikova mesta, kar še dodatno poveča njegovo redoks
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
11
kapaciteto (Davis, 2002). S pomočjo tovrstnih raziskav je bilo ugotovljeno, da so lastnosti
cerijevega oksida podobne tistemu, kar bi biologi imenovali zbiralec prostih radikalov ali
antioksidant.
Na nanometrskem nivoju so zbirateljske lastnosti prostih radikalov še dodatno povečane.
Tako je zaradi dramatične povečave aktivne površine oz. njenega razmerja v primerjavi z
volumnom. Na manjšem nivoju se tudi povečajo zmožnosti tvorjenja kisikovih prostih mest
(Conesa, 1995). Dodatno se ob zmanjšanju velikosti delcev poveča tudi težnja za pojav Ce3+
oblik, ki še dodatno poveča redukcijsko moč. S tovrstnimi spremembami na nanometrskem
nivoju se povečajo tudi zbirateljske lastnosti za lovljenje prostih radikalov (Spanier in sod.,
2004).
2.8.2 Oksidativni stres
Redoks reakcije in antioksidativne lastnosti so si v biološkem smislu zelo podobne z
odstranjevanjem onesnažil iz izpušnih plinov. V obeh primerih gre za nastajanje zelo
reaktivnih prostih radikalov, katerim primanjkuje elektronov potrebnih za molekulsko
stabilnost. Takšne spojine so npr. superoksid (O2-
), hidroksil (OH-) in dušikov oksid (NO).
Prosti radikali so nevarni v celicah, ker lahko odvzamejo elektrone biološkim molekulam s
pomembnimi funkcijami, na primer proteinom in lipidom. S tem spremenijo njihovo
delovanje in povzročijo škodo celičnim organelom (Harman, 2004).
Celice imajo notranje mehanizme, s katerimi je nadomeščeno nastajanje prostih radikalov.
Kljub temu pa se s starostjo in raznimi bolezenskimi stanji lahko zmanjša učinkovitost
celic,kar privede do pojava oksidativnega stresa. To je stanje, ko nastajanje prostih radikalov
preseže antioksidativno sposobnost celic. Ker so možgani organ, ki potrebuje največ kisika za
delovanje, se največ prostih radikalov tvori v njih in v CŽS (Warner in sod., 2004). Večina
NB kot so AB, PB in Huntingtonova bolezen ter možganska travma in staranje so povezani s
pretiranim oksidativnim stresom. Do danes je uporaba antioksidantov v zmanjšanju tega
bolezenskega pojava prisotna le z omejeno uspešnostjo. Tradicionalne terapije zahtevajo
večkratno (lahko tudi dnevno) doziranje, zaradi tega ker je zbirateljska sposobnost
antioksidantov večinoma omejena le na en prosti radikal. Tudi distribucija antioksidantov je
pogosto omejena na specifična mesta v telesu, ki niso vedno v skladu z mestom, kjer se
tvorijo prosti radikali (Halliwell, 2006).
2.8.3 Biološki učinki nanodelcev cerijevega oksida
ND cerijevega oksida bi lahko v prihodnje omogočali novo možnost zdravljenja bolezenskih
stanj, ki so povezane z oksidativnim stres. V in vitro študijah, kjer so uporabljali mešane
kulture mišjih kortikalnih možganskih celic, ki so obsegale nevronske in glia celice, so
ugotovili, da ostane ta kultura zdrava in viabilna v povprečju okoli 21 dni. Ko pa so celicam
dodali enkratno dozo 10 nM raztopine, ki je vsebovala ND cerijevega oksida, s povprečno
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
12
velikostjo 10 nm, pa se je lahko viabilna doba kar za 6-krat povečala (Rzigalinski, 2005).
Celicam se je pri desetih dneh v medij dodalo zgoraj omenjeno raztopino, kateri so bile
izpostavljene 48 ur, nato se je medij normalno menjal naprej. V tem obdobju so v celice prišli
ND cerijevega oksida, kar je bilo vidno z elektronskim mikroskopom. Na ta način je bila
dokazana uspešna integracija ND v celice, v kateri so povzročili pozitivne učinke (Rzigalinski
in sod., 2006).
Glede na lastnosti cerijevih ND kot zbirateljev prostih radikalov, je bilo to moč opaziti tudi v
celicah, kjer so se vedli podobno in ohranili vlogo antioksidantov. ND so tudi zaščitili
nevrone pred umetno sproženim tvorjenju prostih radikalov z izpostavljenostjo UV svetlobi,
vodikovemu peroksidu ter obsevanju (Rzigalinski in sod., 2006). Takšne lastnosti so po
podatkih avtorjev v in vitro pogojih bile prisotne vsaj 2 meseca. V primerjavi s kontrolnim
vzorcem, ki ni bil tretiran, so imele te kulture tudi višjo prisotnost katalaz in reducirano
stopnjo glutationa, kar nakazuje, da so ND ali ohranili ali pa še dodali nekaj k že prisotnim
mehanizmom odstranjevanja prostih radikalov. V članku (Rzigalinski, 2005) je avtor tudi
izpostavil, da ND cerijevega oksida niso in vitro proizvajali prostih radikalov in so se obnašali
kot zelo dobri zbiratelji tako superoksidov kot hidroksilnih radikalov.
Rzigalinski in sod. (2006) so preizkusili tudi vnos različnih koncentracij ND in prišli do
odkritja, da so prav tiste med 10 in 100 nM omogočale optimalno zbiranje prostih radikalov.
Kot zanimivost pa so odkrili, da so doze pod 1nM in nad 1μM delovale škodljivo na
viabilnost celic. Pri nobeni od vnesenih koncentracijah pa niso zaznali strupenih lastnosti
samih delcev. Ti rezultati so v skladu z že prej izvedeno raziskavo (Rosado in sod., 2006) v
kateri so izpostavili, da je neka osnovna produkcija prostih radikalov potrebna za normalno
signalizacijo v celicah. To pomeni, da pri preveč zbirateljev prostih radikalov, premalo teh
ostane za namen normalnega celičnega delovanja. Zaradi tega lahko predvidevamo, da imajo
večkratna ali pa prevelika doziranja ND cerijevega oksida lahko negativne učinke na celice.
Na in vivo nivoju so biološki efekti ND bili testirani na vinski mušici (lat.,Drosophila
melanogaster). Dodatek 10 nM ND v hrano med celotnim življenjskim obdobjem mušice je
povečal njeno življenjsko dobo za približno 20 % (Rzigalinski in sod., 2006). Tudi tukaj pa je
bilo moč zaznati, da so odmerki pod 1 nM in nad 1 μM bile skrajšali življenjsko dobo vinskih
mušic. To je v skladu s hipotezo, da je za normalno celično delovanje potrebna osnovna
produkcija prostih radikalov. V istem eksperimentu so preverjali tudi fizične sposobnosti
vinske mušice. Za njih velja, da s staranjem izgubljajo sposobnost plezanja po stenah ob
dražljaju, ko so pomaknjene na dno preučevane posode. Pri mušicah v katere so vnesli
odmerek s koncentracijo ND 10 nM, se je ta sposobnost pojavljala dlje časa, kar je
najverjetneje povezano s podaljšano življenjsko dobo.
Rezultati nakazujejo na dejstvo, da so ND cerijevega oksida zelo učinkoviti pri nevtraliziranju
prostih radikalov. Avtorji zgoraj naštetih raziskav predvidevajo, da je cerijev oksid zbiratelj
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
13
prostih radikalov, ki se je sposoben regenerirati. Na to zadnjo sposobnost kaže predvsem
podatek, da je en odmerek ustrezne koncentracije ND dovolj za daljše časovno obdobje ob
večkratnem stimuliranju proizvodnje prostih radikalov. V skladu teh mehanizmov so tudi
podatki raziskave (Rzigalinski in sod., 2006), v kateri so spremljali spremembe
spektrofotometričnih lastnosti cerijevih delcev med stimulirano produkcijo prostih radikalov z
vodikovim peroksidom. Visoko hitrostna fluorescenčna mikroskopija je pokazala, da imajo
cerijevi ND eksitacijski vrh pri 451 nm s sekundarnim vrhom na približno 355 nm. Po
dodatku vodikovega peroksida se je zmanjšal vrh pri 451 nm in povečal tisti pri 355 nm,
kateremu je sledilo počasno vračanje v prvotno stanje. Ti podatki nakazujejo na to, da je ob
povečani produkciji prostih radikalov prisotna oksidacija Ce3+
delcev v Ce4+
, čemur pa sledi
počasnejša regeneracija Ce3+
delcev za dokončanje redoks cikla (Patsalas in sod., 2003). Tudi
ti rezultati nakazujejo na to, da so ND cerijevega oksida antioksidanti s sposobnostjo
regeneracije.
3 ZAKLJUČEK
ND so v moderni tehnologiji uporabljeni za različne namene in eden od njihovih potencialov
bi lahko bila tudi uporaba za namen nevroprotekcije. S sodobnimi načini izdelave lahko že
kar dobro načrtujemo in izvedemo procese proizvodnje ND. Od ostalih delcev se razlikujejo
predvsem po svoji »majhnosti« in večjem razmerju med aktivno površino in volumnom, ki
jim dajeta unikatne lastnosti. S pomočjo njih bi lahko prečkali KMP, ki predstavlja zaenkrat
največjo omejitev, saj onemogoča transportne mehanizme, s katerimi bi potencialno zdravilne
učinkovine prešle v CŽS, ker so enostavno prevelike, da bi prečkale pregrado. Tudi med
samimi ND obstaja širok spekter različnih delcev, kar jim omogoča tudi več možnih področij
uporabe. V številnih raziskavah so že predstavili rezultate, ko so na različne načine
pripravljeni ND pokazali rezultate zaradi katerih jih lahko štejemo med potencialno
nevroprotektivne snovi. Prav zaradi tega, ker se na tem področju še išče pionirska zdravila, je
takšen potencial za raziskovalce zanimiv in dobro financiran. Poznamo več različnih
potencialnih načinov delovanja ND na posamezna nevrodegenerativna bolezenska stanja.
Lahko delujejo kot antioksidanti, lahko preprečijo sintezo oz. transformacijo škodljivih
delcev, velikokrat pa so uporabljeni tudi kot sredstvo s katerim lahko uporabimo ND kot
nosilec, s katerim bi prenesli zdravilno učinkovino preko KMP v CŽS.
Menim, da se upravičeno ocenjuje ND kot potencialne nevroprotektante. Sami delci kažejo
nedvomno unikatne lastnosti pri prehajanju skozi ali pa pri samem zdravljenju bolezenskih
stanj. Čeprav je večina raziskav potekala na in vitro nivoju ali pa na živalskih modelih, so bili
rezultati precej spodbudni. Obstaja pa težava, saj primanjkuje rezultatov iz kliničnih testiranj,
ki pa so za potrditev potencialnih zdravil ključnega pomena. Prav tako je problem tudi
trenutno še ne dovolj raziskan predel strupenosti ND. Menim pa, da se bo to s časom
izboljšalo, saj je težko oceniti dolgotrajnejše učinke nekih snovi pri relativno modernih
metodah, ker je za takšne rezultate potreben čas. Pogrešal sem tudi več raziskav na vpliv
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
14
različnih oblik samih delcev na rezultate, saj je na tako majhnem nivoju velikosti delcev ta
lastnost precej pomembna. Trenutno pa tudi še ne poznamo dovolj dobrih načinov izdelave,
da bi garantirali z vsako serijo nedvomno enake lastnosti in s tem tudi učinkovine
proizvedenih ND, a je to trenutno, dokler se ne odobri teh delcev kot nevroprotektantov,
manjšega pomena. Lahko izpostavim še upanje, da se bo v bližnji prihodnosti pojavilo več
študij, s katerimi bi lahko bolje razumeli potencialne nevarnosti vnosa ND. Več previdnosti in
pozornosti je potrebne pri uporabi in proizvajanju vseh vrst ND. Potrebno je vzeti v obzir vse
aspekte materialov, katerih velikost je na nano-ravni, saj lahko interagirajo z biološkimi
materiali na različne načine. Želja je, da bi skozi čas in raziskave prišli do ustrezne ocene
tveganja za ND.
Obstaja kar nekaj dostopnih raziskav povezanih s to temo. Osebno sem pa mnenja, da bi
zaradi pomembnosti iskanja zdravil za tipe bolezni, katerih pojavnost se bo zaradi staranja
populacije zviševala iz leta v leto, morala biti ta tematika obravnavana še resneje, saj se
kažejo neki zametki najdbe potencialno zdravilnih učinkovin, številni izmed teh pa so ND.
Brez potrebnih rešitev bi lahko NB prevzele vodilno mesto v razlogu za smrt v naslednjem
stoletju. Dobro bi bilo, da bi se poizkusili poglobiti v samo tematiko proizvajanja ND, s
katero bi morda lahko proizvedli še več različnih vrst delcev ali pa bi bolje zagotovili enakost
produktov, da bi več denarja vložili v testiranja le-teh kot zdravilnih učinkovin ter da bi
skušali čim prej zadovoljiti vse potrebe za klinična testiranja, saj je prihod zdravilnih
učinkovin na trg možen le, ko so ta uspešno izvedena. Zdi se mi, da tudi iskanje prostovoljcev
za zdravljenje ne bi predstavljal prevelik problem, saj trenutno še ne poznamo ustreznih
zdravil za takšne bolezni in so le-te trenutno še kar veljavne kot smrtna obsodba.
4 VIRI
Abbott N. J., Chugani D. C., Zaharchuk G., Rosen B.R., Lo E. H. 1999. Delivery of imaging
agents into brain. Advanced Drug Delivery Reviews, 37: 253-277
Abbott N. J, Rönnbäck L., Hansson E. 2006. Astrocyte–endothelial interactions at the blood–
brain barrier. Nature Reviews Neuroscience, 7: 41-53
Ai Tran H. N., Sousa F., Moda F., Mandal S., Chanana M., Vimercati C., Morbin M., Krol S.,
Tagliavini F., Legname G. 2010. A novel class of potential prion drugs: preliminaryin
vitroandin vivodata formultilayer coated gold nanoparticles. Nanoscale, 2: 2724-2732
ASTM E 2456-06 “Terminology for Nanotechnology.”ASTM In-ternational,2006
Avila J. 2006. Tau phosphorylation and aggregaton in Alzheimer's disease pathology. FEBS
Letters, 580: 2922-2927
Bennett D. A., Beckett L. A., Murray A. M., Shannon K. M., Goetz C. G., Pilgrim D. M.,
Evans D. A. 1996. Prevalence of Parkinsonian Signs and Associated Mortality in a
Community Population of Older People. New England Journal of Medicine, 334: 71-76
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
15
Bereczki E., Re F., Masserini M.E., Winblad B., Jing Pei J. 2011. Liposomes functionalized
with acidic lipids rescue Aβ-induced toxicity in murine neuroblastoma cells.
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 7: 560-571
Bhaskar S., Tian F., Stoeger T., Kreyling W., de la Fuente J. M., Grazu V., Borm P., Estrada
G., Ntziachristos V., Razansky D. 2010. Multifunctional Nanocarriers for diagnostics,
drugdelivery and targeted treatment acrossblood-brain barrier: perspectives on trackingand
neuroimaging. Particle and Fibre Toxicology, 7, 3, doi:10.1186/1743-8977-7-3: 25 str.
Boado R.J. 2008. A new generation of neurobiological drugs engineered to overcome the
challenges of brain drug delivery. Drug news & perspectives, 21: 489-503
Bondi M. L., Craparo E. F., Giamonna G., Drago F. 2010. Brain-targeted solid lipid
nanoparticles containing riluzole: preparation, characterization and biodistribution.
Nanomedicine, 5: 25-32
Broday L., Peng W., Kuo M. H., Salnikow K., Zoroddu M., Costa M. 2000. Nickel
compounds are novel inhibitors of histone H4 acetylation. Cancer Research, 60: 238-
241
Canovi M., Markoutsa E., Lazar A.N., Pamplakis G., Clemente C., Re F., Sesana S.,
Masserini M., Salmona M., Duyckaerts C., Flores O., Gobbi M., Antimisiaris S.G. 2011.
The binding affinity of anti-Aβ1-42 MAb-decorated nanoliposomes to Aβ1-42 peptides in
vitro and to amyloid deposits in post-mortem tissue. Biomaterials, 32: 5489-5497
Cole N. B., Murphy D. D. 2002. The Cell Biology of α-Synuclein. NeuroMolecular Medicine,
1: 95-110
Conesa J. C. 1995. Computer modeling of surfaces and defects on cerium oxide. Surface
Science, 339: 337-352
Daneman R., Prat A. 2015. The Blood-Brain Barrier. Harbor Perspectives in Biology, 7, doi:
10.1101/cshperspect.a020412: 24 str.
Davis V.T. 2002. Measurement of the electron affinity of cerium. Physical Review Letters,
88: 1-4
De Jong W. H., Hagens W. I., Krystek P., Burger M. C., Sips A. J. A. M., Geertsma R. E.
2008. Particle size-dependent organ distribution of gold nanoparticles afterintravenous
administration. Biomaterials, 29: 1912-1919
Fernandes C., Soni U., Patravale V. 2009. Nano-interventions for neurodegenerative
disorders. Pharmacological Research, 62: 166-178
Gabathuler R. 2009. Approaches to transport therapeutic drugs across the blood-brain barrier
to treat brain diseases. Neurobiology of Disease, 37: 48-57
Gitler A. D., Dhillon P., Shorter J. 2017. Neurodegenerative disease: models, mechanisms,
and a newhope. Disease Models & Mechanisms, 10: 499-502
Gobbi M., Re F., Canovi M., Beeg M., Gregori M., Sesana S., Sonnino S., Brogioli D.,
Musicanti C., Gasco P., Salmona M., Masserini M.E. 2010. Lipid-based nanoparticles with
high binding affinity for amyloid-β1-42 peptide. Biomaterials, 31: 6519-6529
Gotz J., Ittner L.M., Lim Y.A. 2009. Common features between diabetes mellitus and
Alzheimer's disease. Cellular and Molecular Life Sciences, 66: 1321-1325
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
16
Halliwell B. 2006. Oxidative stress in neurodegeneration: where are we now?. Journal of
neurochemistry, 97: 1634-1658
Han S. S. W., Williams L. A., Eggan K. C. 2011. Constructing and Deconstructing Stem Cell
Models of Neurological Disease. Neuron, 70: 626-644
Harman. D. 2004. The Free Radical Theory of Aging. Antioxidants & Redox Signaling, 5: 1-
5
Heck D., Costa M. 1983. Influence of surface charge and dissolution on the selective
phagocytosis of potentially carcinogenic particulate metal compounds. Cancer Research,
43: 5652-5656
Huang R., Ke W., Liu Y., Wu D., Feng L., Jiang C., Pei, Y. (2010). Gene therapy using
lactoferrin-modified nanoparticles in a rotenone-induced chronic Parkinson model. Journal
of the Neurological Sciences, 290: 123–130
Ittner L.M., Gotz J. 2011. Amyloid-β and tau-a toxic pas de deux in Alzheimer's disease.
Nature Reviews Neuroscience, 12: 67-72
Kiernan M. C., Vucic S., Cheah B. c., Turner M. R., Eisen A., Hardiman O., Burrell J. R.,
Zoing M. C. 2013. Amyotrophic lateral sclerosis. The Lancet, 237: 942-955
Kim H. R., Andrieux K., Gil S., Taverna M., Chacun H. Desmaele D., Taran F., Georgin D.,
Couvreur P. 2007. Translocation of Poly(ethyleneglycol-co-hexadecyl)cyanoacrylate
Nanoparticles into Rat Brain Endothelial Cells: Role of Apolipoproteins inReceptor-
Mediated Endocytosis. Biomacromolecules, 8: 793-799
Lang A. E., Lozano A. M. 1998. Parkinson's Disease. New England Journal of Medicine, 339:
1130-1134
Larsen J. M., Martin D. R., Byrne M. E. 2014. Recent advances indelivery through the blood
– brain barrier. Current topics in medical chemistry, 14: 1148-1160
Lee V.M., Goedert M., Trojanowski J.Q. 2001. Neurodegenerative tauopathies. Neuroscience
,24: 1121-1159
Lilienfeld D.E., Perl D.P. 1993. Projected Neurodegenerative Disease Mortality in the United
States, 1990–2040. Neuroepidemiology, 12: 219-228
Lim Y., Mays C. E., Kim Y., Titlow W. B., Ryou C. 2010. The inhibition of prions through
blocking prion conversion by permanently charged branched polyamines of low
cytotoxicity. Biomaterials, 31: 2025-2033
Liu G., Men P., Perry G., Smith M.A. 2009. Development of iron chelator–nanoparticle
conjugates as potential therapeutic agents for Alzheimer disease. Progress in Brain
Research, 180: 97-108
Liu G., Men P., Perry G., Smith M.A. 2009. Nanoparticle-Chelator Conjugates as Inhibitors
of Amyloid-β Aggregation and Neurotoxicity: A Novel Therapeutic Approach for
Alzheimer Disease. Neuroscience letters, 455: 187-190
Matsuoka Y., Saito M., LaFrancois J., Saito M., Gaynor K., Olm V., Wang L., Casey E., Lu
Y., Chiharu S., Lemere C., Duff K. 2003. Novel Therapeutic Approach for the Treatment
of Alzheimer’s Disease by Peripheral Administration of Agentswith an Affinity to β-
Amyloid. The Journal of Neuroscience, 23: 29-33
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
17
Mcneil S.E. 2005. Nanotechnology for the biologist. Journal of Leukocyte Biology, 78: 585-
594
Miller R., Mitchell J., Lyon M., Moore D. 2002. Riluzole for amyotrophic lateral sclerosis
(ALS)/motor neurondisease (MND). Cochrane Database of Systematic Reviews,
doi:10.1002/14651858.cd001447: 28 str.
Modi G., Pillay V., Choonara Y. E. 2009. Advances in the treatment of neurodegenerative
disorders employing nanotechnology. Annals of the New York Academy of Sciences,
1184: 154–172
Mourtas S., Canovi M., Zona C., Aurilio D, Niarakis A., La Ferla B., Salmona M., Nicotra F.,
Gobbi M., Antimisiaris S. G. 2011. Curcumin-decorated nanoliposomes with very high
affinity for amyloid-β1-42 peptide. Biomaterials, 32: 1635-1645
Norrby E. 2011. Prions and protein-folding diseases. Journal of Internal Medicine, 270: 1–14
Patel M. M., Goyal B. R., Bhadada S. V., Bhatt J. S., Amin A. F. 2009. Getting into the Brain.
CNS Drugs, 23: 35-58
Patsalas P., Logothetidis S., Sygellou L., Kennou S. 2003. Structure dependent electronic
properties of nanocrystalline cerium oxide films. Physical Review B, 68,
doi:10.1103/physrevb.68.035104: 13 str.
Prusiner S. B. 1998. Prions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America, 95: 13363-13383
Re F., Gregori M., Masserini M. 2012. Nanotechnology for neurodegenerative disorders.
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 8: 51-58
Rosado J. A., Redondo P. C., Salido G. M., Pariente J. A. 2006. Calcium signaling and
reactive oxygen species in non-excitable cells. Mini Reviews in Medicinal Chemistry, 6:
409-415
Rzigalinski B. A. 2005. Nanoparticles and Cell Longevity. Technology in Cancer Research &
Treatment, 4: 651-659
Rzigalinski B. A. Meehan K., Davis R. M., Xu Y., Miles W. C., Cohen C. A. 2006. Radical
Nanomedicine. Nanomedicine, 1: 399-412
Selkoe D.J. 1997. Alzheimer's disease: genotypes, phenotypes and treatments. Science, 275:
630-631
Selkoe D.J., Lansbury Jr. P.J. 1999. Alzheimer's Disease Is the Most Common
Neurodegenerative Disorder. Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical
Aspects, 6: 101-102
Singh N., Cohen C.A., Rzigalinski B.A. 2007. Treatment of Neurodegenerative Disorders
with Radical Nanomedicine. New York Academy of Sciences, 1122: 219-230
SIST-TS CEN ISO/TS 80004-1. 2016. Nanotechnologies - Vocabulary - Part 1: Core terms
Sousa F., Mandal S., Garrovo C., Astolfo A., Bonifacio A., Latawiec D., Menk R. H., Arfelli
F., Huewel S., Legname G., Galla H. J., Krol S. 2010. Functionalized gold nanoparticles: a
detailedin vivomultimodal microscopicbrain distribution study. Nanoscale, 2: 2826-2834
Krklec D. Uporaba nanomaterialov za nevroprotektivnost.
Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2019
18
Spanier J. E., Robinson R. D., Zheng F., Chan S. W., Herman I. P. 2004. Size-dependent
properties of CeO2-y nanoparticles as studied by Raman scattering. Physical Review, 64,
doi: 10.1103/PhysRevB.64.245407: 8 str.
Spillantini M. G., Schmidt M.L., Lee V. M. Y.,Trojanowski J. Q., Jakes R., Goedert M.1997.
α-Synuclein in Lewy bodies. Nature, 388: 839-840
Trapani A., De Giglio E., Cafagna D., Denora N., Agrimi G., Cassano T., Gaetani S., Cuomo
V., Trapani G., 2011. Characterization and evaluation of chitosan nanoparticles for
dopamine brain delivery. International Journal of Pharmaceutics, 419: 296-307
Trovarelli A. 2002. Catalysis by ceria and other related materials. Imperial College Press: 528
str.
Ulbrich K., Hekmatara T., Herbert E., Kreuter J. 2009. Transferrin- and transferrin-receptor-
antibody-modified nanoparticles enabledrug delivery across the blood–brain barrier
(BBB). European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 71: 251-256
Warner D. S., Sheng H., Batinić-Haberle I. 2004. Oxidants,antioxidantsand the ischemic
brain. Journal of Experimental Biology, 207: 3221-3231
Wilson B., Samanta M.K., Santhi K., Kumar K.P.S, Paramakrishnan N., Suresh B. 2008.
Targeted delivery of tacrine into the brain with polysorbate 80-coated poly(n-
butylcyanoacrylate) nanoparticles. European Journal of Pharmaceutics and
Biopharmaceutics, 70: 75-84
Zhang F., Wang P., Koberstein J., Khalid S., Chan S. W. 2004. Cerium oxidation state in
ceria nanoparticles studied with X-ray photoelectron spectroscopy and absorption near
edge spectroscopy. Surface Science, 563: 74-82
Zlokovic B. V. 2008. The Blood-Brain Barrier in Healthand Chronic Neurodegenerative
Disorders. Neuron, 57: 178-201
Zoroddu M. A., Kowalik-Jankowska T., Kozlowski H., Salnikow K., Costa M. 2002.
Molecular mechanisms in nickel carcinogenesis: modeling Ni (II) binding site in
histone H4. Environmental Health Perspectives, 110: 719-723
Zoroddu M. A., Medici S., Ledda A., Nurchi V. M., Lachowicz J. I., Peana M. 2014. Toxicity
of Nanoparticles. Current Medicinal Chemistry, 21: 3837-3853