Nanosensors and particles: a technology frontier with pitfalls

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Das Leben entwickelte hochintegrierte biologische Nanosensoren für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich zum Speichern und Berechnen von Informationen, zum Erfassen der Stoffwechselaktivitäten, um eine stetige Energieversorgung sicherzustellen, sowie zum Erfassen und Reagieren auf eine breite Palette von Umweltreizen und -faktoren. Solche Nanosensoren umfassen Enzyme, Antikörper, DNA, photochrome Systeme und viele andere, deren Funktionen und Mechanismen, durch die sie oft Energie umwandeln, noch zu entschlüsseln sind. Tatsächlich ist die Vielfalt in Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren so groß, dass atomistische Einblicke in die Funktionsweise dieser Maschinen nicht nur akademisch faszinierend sind, sondern bereits eine Vielzahl neuer nanoskaliger Designs inspiriert haben.

Unsere Fähigkeit, Nanosysteme mit fest zugeschnittenen Funktionen zu konstruieren, hat schnelle Fortschritte gemacht, seit Nanotech-Tools verfügbar wurden, um solche Systeme zu synthetisieren, zu visualisieren und zu charakterisieren. Während die Öffentlichkeit den Begriff Nanosensoren häufig mit Nanopartikeln in Verbindung bringt, ist die Definition von Nanosensoren viel breiter und umfasst alle Nanogeräte, die auf physikalische oder chemische Reize reagieren und diese in nachweisbare Signale umwandeln. Technische Nanopartikel und Nanosensoren wurden aus anorganischen oder organischen, synthetischen oder biologischen Materialien hergestellt. Ihre Spezifität zur Untersuchung von Umwelt- oder biomedizinischen Prozessen kann durch Funktionalisierung mit Biomolekülen erheblich verbessert werden, beispielsweise in einer Weise, dass molekulare Erkennungsereignisse nachweisbare physikalische Veränderungen verursachen.

Dieser Kommentar ist Teil einer speziellen Ausgabe, die „Nanosensoren“ gewidmet ist, da wir uns 20 Jahren der Ankündigung nähern, dass große Mittel in die Förderung der Nanotechnologie fließen werden, zuerst von der US National Nanotechnology Initiative (NNI), dicht gefolgt von anderen in Europa und Asien. Der Schlüsselfaktor, der solche bedeutenden Investitionen in die Entwicklung einer neuen Generation von Nanopartikeln und nanoskaligen Sensoren antreibt, waren ihre erwarteten niedrigen Produktionskosten, ihre Spezifität für Biomoleküle, mikrobielle Zellen und Gewebe sowie für den Nachweis von Toxinen. Dies öffnete die Tür zu einer Reihe von medizinischen Anwendungen, einschließlich transformativer Technologien für Point-of-Care-Überwachungs- und Diagnosegeräte. Es ist daher eine rechtzeitige Gelegenheit, die Erfolge von Nanopartikeln und Sensoren zu überprüfen, die auf hochspezifische Funktionen zugeschnitten sind, von medizinischen Anwendungen bis zur Erfassung der Umwelt , sowie zu fragen, wo und wann Vorsicht geboten ist .

Obwohl die meisten Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von Nanosensoren und Nanopartikeln von Förderorganisationen im Rahmen der Früherkennung und Behandlung menschlicher Krankheiten bezahlt wurden, gilt ein Großteil des gewonnenen Wissens auch für natürliche Nanopartikel oder kann nun angewendet werden, um mehr über unsere Umwelt zu erfahren. Es ist daher interessant festzustellen, dass die weltweiten Budgets von Agenturen, die sich auf Nanotechnologien im Kontext biomedizinischer Wissenschaften konzentrieren, die sich mit Krankheiten befassen, um Größenordnungen höher sind als diejenigen, die sich der Analyse ihrer Risiken und dem Schutz unserer Umwelt widmen. Dennoch können viele Erkenntnisse und Entwicklungen in der Biomedizin in die Bewältigung von Umweltherausforderungen übersetzt werden. Zum Beispiel gab die Entwicklung von nanoparticles für diagnostische und therapeutische Anwendungen viel Einblicke in die Fülle von Regelungen, durch die nanoparticles und Sensoren mit spezifischen Funktionen entworfen sein und furbished können, und wie sie entworfen sein müssen, um ihnen zu erlauben, bedeutende Sperren unserer Körper wie die Haut, Lunge und Darmepithelien oder die Blutgehirn– oder Blutgewebebarriere zu überschreiten. Es wurde auch viel über die Pharmakokinetik von Nanosystemen gelernt, die einmal auf die Haut aufgetragen, geschluckt, injiziert oder inhaliert wurden . Während Nanosensoren bereits nichtmedizinische Anwendungen revolutioniert haben, darunter Baumaterialien und die Lebensmittelindustrie, sowie den diagnostischen Medtech-Markt, also den Einsatz von Sensoren für die In-vitro-Diagnostik , sind die Fortschritte bei der Einführung von Nanopartikeln in die Klinik weitaus langsamer als erwartet. Obwohl die Mehrheit der Nanotechnologiefinanzierung im Bioengineering und in der Medizin in Ansätze ging, Tumorgewebe mit nanoparticles anzuvisieren, ergab eine gründliche Metaanalyse der Literatur vom letzten Jahrzehnt, dass nur ein winziger Bruchteil der verabreichten nanoparticles (< 1%) wirklich an feste Tumoren, ob basiert auf organischen oder anorganischen Materialien und mit gerade geringfügigen Unterschieden geliefert wurden, die auf ihren körperlichen Eigenschaften basierten.

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