Nanomateriały w diagnostyce medycznej i terapii

obowiązkowe

Wykład poświęcony jest zastosowaniu nanomateriałów w diagnostyce medycznej, biosensoryce oraz terapii. Omawiane są klasyczne i nowoczesne nanomateriały (metaliczne, polimerowe, węglowe, magnetyczne i hybrydowe), ich właściwości fizykochemiczne oraz sposoby funkcjonalizacji umożliwiające wykorzystanie w systemach dostarczania leków (NDDS), obrazowaniu biomedycznym i biosensorach.

Kurs integruje wiedzę z chemii supramolekularnej, biologii molekularnej oraz nanotechnologii, kładąc nacisk na zdolność studenta do koncepcyjnego projektowania nanosystemów diagnostyczno-terapeutycznych.

Wykład „Nanomateriały w diagnostyce medycznej i terapii” stanowi interdyscyplinarne rozwinięcie zagadnień z zakresu nanotechnologii, chemii materiałowej oraz biologii molekularnej w kontekście nowoczesnych zastosowań biomedycznych. Celem kursu jest przedstawienie studentom aktualnych kierunków rozwoju nanosystemów wykorzystywanych zarówno w diagnostyce, jak i w terapii chorób cywilizacyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem chorób nowotworowych, zakaźnych i metabolicznych.

W pierwszej części kursu omawiane są podstawy projektowania biosensorów oraz znaczenie biomarkerów klinicznych w medycynie spersonalizowanej. Analizowane są różne klasy biosensorów – enzymatyczne, immunologiczne, oparte na kwasach nukleinowych, aptamerach oraz polimerach imprintowanych molekularnie – wraz z mechanizmami transdukcji sygnału i parametrami decydującymi o ich czułości oraz selektywności. Szczególny nacisk położony jest na rolę nanomateriałów jako elementów wzmacniających sygnał oraz poprawiających stabilność i specyficzność układów detekcyjnych.

Kolejna część wykładu poświęcona jest charakterystyce nanomateriałów stosowanych w diagnostyce i terapii. Omawiane są nanocząstki metaliczne (złoto, srebro), nanomateriały magnetyczne (tlenki żelaza), kropki kwantowe, nanomateriały węglowe, nanostruktury typu nanoshell i nanocage, a także nanomateriały polimerowe i hybrydowe. Analizowana jest zależność pomiędzy strukturą, wymiarowością (1D, 2D, 3D), właściwościami powierzchniowymi i parametrami fizykochemicznymi a ich funkcjonalnością biologiczną, biokompatybilnością oraz toksykologią.

Znacząca część kursu koncentruje się na systemach dostarczania leków (NDDS – Nano Drug Delivery Systems). Omawiane są strategie enkapsulacji, adsorpcji oraz sprzęgania kowalencyjnego cząsteczek bioaktywnych z wykorzystaniem oddziaływań supramolekularnych i chemii powierzchni. Przedstawiane są mechanizmy kontrolowanego uwalniania leków (pH-responsive, enzymatyczne, fotoaktywowane, redoks-aktywne) oraz koncepcje terapii celowanej (targeting aktywny i pasywny, efekt EPR). W tej części szczególną rolę odgrywa chemia supramolekularna – rotaksany, katenany, etery koronowe oraz układy foto-przełączalne – jako narzędzia do projektowania inteligentnych systemów terapeutycznych.

W obszarze diagnostyki omawiane są zarówno biosensory optyczne (SPR, fluorescencja, chemiluminescencja, testy ELISA, systemy lateral flow), jak i biosensory elektrochemiczne, z uwzględnieniem roli nanomateriałów w zwiększaniu powierzchni aktywnej, poprawie przewodnictwa oraz stabilności bioreceptorów. Studenci poznają mechanizmy generowania sygnału, parametry analityczne (LOD, zakres liniowości, selektywność) oraz ograniczenia praktyczne tych technologii.

Osobny blok tematyczny dotyczy zastosowania nanomateriałów w technikach obrazowania medycznego. Analizowane są mechanizmy kontrastowania w MRI, CT, PET, SPECT oraz w technikach optycznych i fotoakustycznych. Omawiane są właściwości nanocząstek jako środków kontrastowych oraz ich potencjalna rola w theranostyce, czyli łączeniu funkcji diagnostycznej i terapeutycznej w jednym systemie.

W końcowej części kursu przedstawiane są materiały biomimetyczne oraz bioinspirowane strategie projektowania nanostruktur, w tym systemy samoorganizujące się, struktury inspirowane błonami komórkowymi oraz koncepcje inteligentnych nośników reagujących na bodźce środowiskowe.

Wykład ma charakter integrujący – jego celem nie jest jedynie przekazanie wiedzy opisowej, lecz rozwinięcie zdolności krytycznej analizy literatury naukowej oraz koncepcyjnego projektowania nanosystemów diagnostyczno-terapeutycznych w oparciu o zrozumienie mechanizmów fizykochemicznych i biologicznych. Student po ukończeniu kursu powinien być przygotowany do świadomego poruszania się w obszarze nanomedycyny, zarówno w kontekście badań naukowych, jak i zastosowań przemysłowych.

Całkowity nakład pracy studenta: 38 godzin, w tym:

- udział w zajęciach: 15 godzin,

- konsultacje z prowadzącymi i udział w egzaminie: 10 h,

- przygotowanie do zaliczenia: 10 h.

Nanobiotechnology in Diagnosis, Drug Delivery and Treatment, Mahendra Rai (Editor), Mehdi Razzaghi-Abyaneh (Editor), Avinash P. Ingle (Editor). ISBN: 1119671779. Wydawca: John Wiley and Sons Ltd, Data wydania: 03. grudzień 2020

Nanomedicine and Drug Delivery, autor: Oscar Watson. Data wydania: 03.06.2016. Wydawnictwo: Syrawood Publishing House. ISBN: 9781682861004

Student po skończonym wykładzie posiada wiedzę na temat:

- zastosowania nanomateriałów w diagnostyce i tarapii

- orientuje się w typach nanomateriałów stosowanych w medycynie i farmacji

- posiada wiedze na temat syntetycznych modyfikacji nanomateriałów

- posiada wiedzę na temat metod uwalniania leków z nanocząsteczkowych DDS\

- posiada wiedze na temat oddziaływań fizykochemicznych stosowanych do sprzęgania molekuł leków czy znaczników

Po ukończeniu kursu student:

Zna i rozumie (wiedza)

K_W09 – podstawowe klasy nanomateriałów stosowanych w diagnostyce i terapii oraz zależności między ich strukturą a właściwościami biologicznymi i fizykochemicznymi.

K_W12 – mechanizmy działania biosensorów optycznych i elektrochemicznych oraz ich zastosowanie w diagnostyce biomedycznej.

K_W16 – strategie funkcjonalizacji powierzchni nanomateriałów i oddziaływania supramolekularne wykorzystywane w systemach dostarczania leków.

K_W18 – zasady działania technik obrazowania biomedycznego wykorzystujących nanomateriały.

________________________________________

Potrafi (umiejętności)

K_U10 – analizować i porównywać różne typy nanosystemów diagnostycznych i terapeutycznych pod względem ich właściwości fizykochemicznych i funkcjonalnych.

K_U15 – interpretować dane literaturowe dotyczące nanomateriałów biomedycznych i krytycznie oceniać ich potencjał aplikacyjny.

K_U21 – integrować wiedzę z chemii, biologii i materiałoznawstwa w celu koncepcyjnego projektowania nanosystemów biomedycznych.

Forma zaliczenia:

• egzamin pisemny (test wielokrotnego wyboru oraz pytania otwarte)

lub

• przygotowanie prezentacji na temat wybranego systemu nanomateriałowego stosowanego w diagnostyce lub terapii.

Ocena końcowa opiera się na stopniu osiągnięcia efektów uczenia się, poprawności merytorycznej oraz umiejętności integracji wiedzy interdyscyplinarnej.