Nanomateriály ve stomatologii – přehled poznatků

Súhrn

Pojmy začínající předponou „nano“ označují využití struktur v rozměrech nanometrů. Zatímco nanomateriály jsou pouze pasivní částice, nanotechnologie znamenají využití nanorobotů s aktivním chováním. Nanotechnologie mohou být v budoucnu použitelné v parodontologii, ortodoncii či v diagnostice a selektivní terapii orofaciálních karcinomů. Doposud jsou ve stadiu výzkumu. Nanomateriály se již nyní uplatňují v průmyslu i v medicíně. Ve stomatologii je jejich aplikace nejdále v záchovné stomatologii, v oblasti kostních substituentů a v dentální implantologii.

Klíčová slova:
nanomateriály - nanotechonologie - nanostruktury

ÚVOD

Věda 21. století vstupuje do nové éry – éry s předponou „nano“. Nanotechnologie, nanosystémy nebo nanostruktury jsou běžné termíny třetího tisíciletí. Nanotechnologie operuje se strukturami o rozměru 1 – 100 nm (1 nanometr, tj. 10^-9 m, je velikost deseti atomů). Zabývá se o stupeň menšími tělesy než mikrotechnologie, která pracuje se strukturami na úrovni molekul. Pro ilustraci uvádíme rozměry některých přírodních struktur v nanometrech [7]:

molekula bílkoviny              5 – 50 nm

virus                                   75 – 100 nm

bakterie                              1000 – 10 000 nm

erytrocyt                             7000 nm

leukocyt                              10 000 nm

lidský vlas                           50 000 nm

Pro tvorbu nanostruktur existují dva základní principy – „top-down“ (shora dolů) a „bottom-up“ (zdola nahoru). V prvním případě jsou zmenšovány stávající částice, z mikrostruktur se tvoří nanostruktury. Druhý přístup vytváří primárně nové struktury syntézou z ještě menších základních stavebních jednotek jako je DNA nebo molekula bílkoviny. 

HISTORIE

Za jednoho ze zakladatelů nanotechnologie je považován Richard P. Feynman, pozdější držitel Nobelovy ceny [2, 3]. Ačkoliv ještě nepoužil slovo nanotechnologie, představil hlavní myšlenky již v roce 1959 na výroční schůzi Americké společnosti fyziků. Jeho historická přednáška pojednávala o tom, že v budoucnosti bude člověk sestavovat neobyčejně miniaturní zařízení schopná manipulovat s jednotlivými atomy. Avšak v 50. letech ho málokdo ze seriózních vědců bral vážně. Miniaturizaci přinesla teprve následující dvě desetiletí, objevila se teorie uspořádání molekul a rastrovací kvantový mikroskop, který umožnil poprvé proniknout do světa nanorozměrů. Počátek 90. let znamenal první úspěšné pokusy technologií v měřítku nanometrů. Eric Drexler v roce 1986 ve své knize „Stroje stvoření – nástup éry nanotechnologie“ podrobně popsal nanosystémy, které budou schopné postavit vše, co jim předem stanovený program zadá.

Z fantazií se postupně stává skutečnost. Takřka každý týden se ve vědeckých periodikách objevují nové nanotechnologické poznatky. Jejich použití zasahuje do mnoha oblastí, včetně medicíny. V řadě oborů byly nanotechnologie v posledních letech katapultovány z roviny teorie do praxe, mnohé jsou alespoň testovány, další se zatím nacházejí ve fázi výzkumu. Nejdále pokročily USA a Japonsko, v Evropě vede Finsko. Projekty mají často mezinárodní charakter a jsou obvykle multidisciplinární. 

NANOMEDICÍNA

NIH (National Institute of Health, USA) definuje nanomedicínu jako aplikaci nanotechnologie pro diagnostiku, terapii a kontrolu biologických systémů na buněčné úrovni [1]. Ve středu zájmu stojí zejména cílený transport látek, určený ke dvěma účelům: pro diagnostiku a k selektivní vysoce účinné terapii bez nežádoucích vedlejších účinků [4].

Diagnostika

Existuje řada metod, které umožňují detekci biologických analytů, ovšem za cenu destrukce buněk. Tím dochází ke zkreslení výsledků. Proto se atraktivními stávají metody nedestruktivní, které poskytují v reálném čase informaci o prostorové distribuci analytů v jednotlivých oddílech buněk. Tyto metody jsou založeny na velmi citlivé fluorescenční mikroskopii. Jako fluorescenční senzory jsou používány sloučeniny vykazující výrazné změny fluorescenčního chování v závislosti na koncentraci posuzovaného analytu. Pro nedestruktivní intracelulární analýzu je třeba vytvořit vhodný senzor, který musí být nejméně stokrát menší než buňka, tj. o rozměru nanočástice, obsahující senzorické molekuly (protilátky, enzymy) a fluorescenční sloučeniny [4]. Takové nanočástice můžeme rozdělit do několika typů: kvantové tečky (quantum dots), dendrimery, kovové a polovodičové nanočástice a magnetické nanočástice [4]. Kvantové tečky se využívají např. pro studium bodových mutací vedoucích k fenotypovému projevu onemocnění. Dendrimery jsou vysokomolekulární struktury, skládající se z mnoha větví umístěných pravidelně kolem centrálního jádra. Jsou využitelné u zobrazovacích metod, kde slouží jako kontrastní látky pro zobrazení měkkých tkání [4]. Kovové a polovodičové nanočástice mají vynikající optické vlastnosti, které byly využity například k detekcii některých toxinů. Magnetické nanočástice jsou vhodné pro magnetické navádění léčiv, radiofarmak a při vyšetření magnetickou rezonancí [4].

Terapie

Nanočástice mohou být použity jako přímá aktivní činidla, nebo jako nosiče léků. Umožňují cílený transport s maximálním terapeutickým efektem a s minimalizací vedlejších účinků. To je důležité zejména u chemoterapeutik nebo protizánětlivých léků. Obecný princip cíleného transportu spočívá v tom, že nanočástice (nosič, transportní molekula) v sobě inkapsuluje léčivo. Sama nanočástice nebo elementy jejího povrchu jsou schopny rozpoznat receptory na povrchu buňky a najít správné cílové místo. Uvnitř buňky dojde k disociaci komplexu nosič-léčivo, které se potom naváže na příslušný receptor a transportní molekula se uvolní z buňky ven. Aby tento princip fungoval, je třeba splnit některé podmínky. Nanočástice musí mít vysokou kapacitu pro dané léčivo, musí být stabilní a v cílové tkáni se musí kontrolovaně uvolňovat [4].

Jako nanonosiče léčiv jsou vhodné dendrimery, liposomy, magnetické částice, nanoslupky, fulereny nebo zeolity [4]. Dendrimery nacházejí uplatnění v protinádorové léčbě, při genové terapii, jako virostatika nebo antibakteriální látky. Účastní se také v procesu fotodynamické terapie karcinomů, kdy molekula po adsorpci světla produkuje singletový kyslík, který ničí nádorovou buňku. Pro léčbu mozkových nádorů, neurologických a očních poškození se zkoušejí liposomy, fungující jako kapsle, ze kterých se léčivo uvolňuje v organismu biodegradací. Významnou skupinou nanonosičů jsou fulereny, sestavené nejčastěji z uhlíkových atomů. Transportují chemoterapeutika nebo radio-farmaka. Fulerenové deriváty fungují jako antivirotika, a to při léčbě Parkinsonovy choroby, a počítá se s nimi i při léčbě AIDS. Nanoslupky jsou zlatem pokryté křemíkové nanočástice obsahující léčivo. Mohou adsorbovat světlo a přeměňovat ho v tepelnou energii. Zeolity jsou hlinitokřemičitany s velmi nízkou toxicitou a s vysokou stabilitou. Setkáme se s nimi při léčbě nádorů a na jejich bázi se vyvíjejí kontrastní látky pro magnetickou tomografii nebo hemostatická činidla [4]. 

NANOMATERIÁLY VE STOMATOLOGII

I ve stomatologii najdeme mnoho názvů s předponou „nano“. Nejde většinou o nanotechnologie ani nanočástice v pravém slova smyslu, ale pouze o využívání partikulí v nanorozměrech, kterými se zlepšují vlastnosti materiálů. Jde tedy o jakousi terminologickou nepřesnost a směšování pojmů. Určitě všichni známe nano-plnidla používaná v materiálech záchovné stomatologie. Vznikají tak nanokompozita a nanoionomery [8]. Obecně lze říci, že tyto nanomateriály mají lepší mechanické, chemické a optické vlastnosti než materiály klasické. V praxi to znamená zvýšenou odolnost proti abrazi, přirozenější estetiku – více se podobají sklovině, zajišťují kvalitnější okrajový uzávěr výplně, lepší leštitelnost, umožňují dlouhodobé uvolňování fluoridů a zno-vuzasycení fluoridů z topického zdroje, např. při čištění zubů fluoridovou zubní pastou.

K ošetření citlivých zubních krčků se jako slibné jeví uzavření obnažených dentinových tubulů okrouhlými nanočásticemi, např. hydroxyapatitu. Bylo zjištěno, že hypersenzitivní zuby mají osmkrát více otevřených tubulů a ty jsou dvakrát širší než u nepostižených zubů.  Nanomateriály jsou schopny selektivně a precizně okludovat tubuly a rychle přinést pacientovi úlevu [8].

Velké naděje jsou vkládány v nanomateriály využitelné v parodontologii [5]. Zatímco kompletní regenerace parodontálních tkání byla s tradičními metodami iluzorní, současné práce hovoří o možnostech léčby chorob parodontu za pomoci speciálních nanopartikulí a nanotubulů. Vyvíjejí se nové materiály k náhradě cementu, parodontálních ligament i alveolární kosti.

Materiálem pro moderní dentální implantáty je tzv. komerčně čistý titan (cpTi), který je velmi dobře snášen, ale je příliš měkký [9]. Naopak titanové slitiny užívané ve stomatologii (např. Ti6Al4V) jsou mechanicky odolnější, ale nemají tak dobré biologické vlastnosti [9]. Negativní vlastnosti obou těchto materiálů odstraňuje použití nanostrukturního technicky čistého titanu (nTi), který patří mezi objemové nanostrukturní kovové materiály, tj. materiály s velmi jemným zrnem v rozměrech řádově 1 – 100 nm. Vyznačuje se mimořádnými mechanickými vlastnostmi, z nichž jsou pro dentální implantáty důležité zejména vysoká pevnost a vysoká mez kluzu [6, 7]. Úprava povrchu implantátu na nanoúrovni výrazně zkvalitňuje oseointegraci. Nanostruktura titanového povrchu ovlivňuje buněčnou adhezi k titanu, morfologii, migraci, proliferaci a diferenciaci buněk, expresi genů a RNA, syntézu proteinů a sekreci extracelulární matrix. Protože jsou takto ovlivněny i osteoblasty, tvorba kosti v okolí implantátu, a tím i oseointe-grace implantátů, je kvalitnější a rychlejší (accelerated osseointegration). Ve světě existuje jen několik firem vyrábějících objemové nanomateriály. Cena nTi je desetkrát vyšší než cpTi. Existují i implantáty, které jsou povlakovány jemnou nanovrstvou kalciumfosfátu [6].

Protetické materiály se vylepšují přidáním nanoplnidel. Otiskovací hmoty mají pak lepší fyzikální vlastnosti a otisk je detailnější. Zdokonalují se mechanické vlastnosti keramických i pryskyřičných materiálů, např. tvrdost umělých zubů do protéz [8].

Ve fázi reálného použití jsou nanokrystalické kostní substituenty na bázi nanopartikulí hydroxyapatitu a trikalciumfosfátu [9]. Běžné kostní substituenty, které slouží k reparaci nedostatečně objemné nebo defektní kosti, mají obvykle mikrokrystalickou strukturu. Nově byly vyvinuty podobné materiály, které však mají jemnější, tedy nanokrystalickou strukturu. Tyto materiály mají odlišné chemické, fyzikální i biologické vlastnosti, přestože jsou chemicky totožné. Mimo jiné jsou lépe rozpustné. Například komerčně vyráběný nanokrystalický hydroxyapatit Ostim je složený z částic velkých průměrně 18 nm. Na rozdíl od mikrokrystalických materiálů stejného chemického složení je rychleji nahrazen vitální kostí a je v organismu beze zbytku resorbován.

O „pravých“ nanotechnologiích lze hovořit v souvislosti s následujícími postupy. V prevenci zubního kazu a parodontopatii by bylo ideální využívat nanorobotické čištění zubů. Ústní vody a zubní pasty by byly schopné kontrolovat supra - i subgingivální povrch zubu, metabolizovat škodlivé organické látky v neškodné a nepách-noucí páry, likvidovat plak a zubní kámen. Nanotechnologie se jistě významně uplatní i při bělení zubů.

Ortodoncie plánuje využití nanotechnologií, které by dovolily rychlé a nebolestivé pohyby zubů během hodin nebo dokonce minut.

Pomocí nanostruktur bude možné v lokálních anestetikách realizovat řízenou anestezii pro jednotlivé zuby s aktivním ukončením anestezie dle potřeby.

Nanotechnologie se pravděpodobně budou i ve stomatologii využívat k detekci bakterií, hub a virů a k cílenému dopravování léčiv. Uplatnění budou mít nanostruktury v diagnostice a léčbě orálních karcinomů. Některé tyto systémy jsou již ve fázi klinického testování [3]. 

ZÁVĚR

Konvenční medicína dosáhla velmi vysoké úrovně a zdá se, že se začíná přibližovat maximu svých možností. Její posunutí na kvalitativně vyšší úroveň vyžaduje likvidaci některých mantinelů, které ji omezují v dalším rozvoji. Využití nanotechnologií by mohlo tento proces umožnit. Nové perspektivy se otevírají zejména v oblasti zdokonalení diagnostických metod a v selektivní terapii s minimem vedlejších účinků. Přestože se první kroky zatím odehrávají spíše mimo oblast chorob ústní dutiny, nanomedicína nepochybně budoucí stomatologii zásadně pozitivně ovlivní.

Ve stomatologické odborné literatuře, zvláště má-li poněkud reklamní podtext, se s předponou „nano“ stále častěji setkáváme již dnes. Jedná se však o pouhé vyjádření velikosti použitých partikulí, o terminologickou příbuznost, která nemá s nanomedicínou v pravém slova smyslu nic společného. 

Práce byla podpořena projektem Národní program výzkumu č. 2B06104 Ministerstva školství, mládeže atělovýchovy České republiky.

MUDr. Dana Kopecká, Ph.D.

Stomatologická klinika LF UK a FN

Sokolská 581

500 05  Hradec Králové

e-mail: kopecdan@fnhk.cz