"Nanokosmiczna medycyna"

W 1959r. na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Biochemicznego Richard Feynman wygłosił porywający wykład pt. „Ther’s plenty of room at the bottom” o możliwościach stworzenia w przyszłości technologii opartej na skali odpowiadającej atomom.

Kosmos zaczyna się w momencie, kiedy nie jesteśmy w stanie ogarnąć czegoś wzrokiem, gdyż jest dla nas nie tylko zbyt ogromne, jak np. galaktyki (makrokosmos) ale również zbyt małe, jak np. komórki (mikrokosmos). Tymczasem od dawna wiadomo, że istnieje świat milion razy mniejszy niż ten w skali mikro – przepiękny nanokosmos, który nieustannie odkrywa przed nami swoje tajemnice i niezwykłe możliwości. Nanometr to jedna miliardowa metra, jeśli chcemy sobie wyobrazić tę wielkość – spójrzmy na kartkę papieru, jest sto tysięcy razy grubsza!

Czy ktoś pamięta film H. Kleinera pt. „Fantastyczna podróż”? Opowiada on o podróży po ludzkim organizmie we wstrzykniętej dożylnie pomniejszonej atomowej łodzi podwodnej, w celu usunięcia skrzepu. Fikcja z 1966r. zdaje się powoli przybierać realny wymiar dzięki osiągnięciom nanonauki.

Termin „nanotechnologia” został użyty po raz pierwszy w 1974r. przez japońskiego naukowca prof. Norio Taniguchi lecz za twórcę samej koncepcji uważa się fizyka Richarda Feynmana.

Prawdziwy przełom w nanonauce nastał po wynalezieniu przez G. Binninga i H. Rohrera skaningowego mikroskopu tunelowego (za co otrzymali nagrodę Nobla w 1986r.). Mikroskop, który zamiast światła, używa elektronów, umożliwia nie tylko obserwację nanostruktur, ale również ich przesuwanie.

Zasada działania STM (źródło: Wikipedia)

Jednak wydarzeniem bez precedensu, które spowodowało prawdziwy postęp w nanotechnologii, było odkrycie fulerenów (tzw. „buckyballs”), za co badacze R. Smalley, R. Curl i H. Kroto otrzymali nagrodę Nobla w 1996r.

Fulereny, to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla (C60 lub C70). Na początku wydawały się ciekawostką, ale w miarę badań nad nimi, okazało się, że mają mnóstwo niesamowitych właściwości. (Zdj. St. Stev/flickr)

Od tej pory rozpoczął się wielki bum na nanowynalazki, m.in. nanorurki, nanowłókna czy mikrosfery, które znalazły wiele zastosowań w wielu dziedzinach, takich jak elektronika, optyka, budownictwo, rolnictwo czy kosmonautyka. Jednak na szczególną uwagę zasługuje możliwość zastosowania tej techniki w medycynie i farmacji.

Wojna, w której orężem może się stać nanotechnika, to przede wszystkim odwieczna walka z jednym z najokrutniejszych wrogów ludzkości – nowotworami. W leczeniu większości chorób nowotworowych, oprócz zabiegu chirurgicznego stosuje się takie metody jak chemio-, radio czy immunoterapia. Podstawą chemioterapii są leki zwane cytostatykami, które hamują podziały komórek oraz powodują ich śmierć. Niestety, ponieważ podawane są dożylnie lub doustnie, działają na wszystkie dzielące się komórki w organizmie, prawidłowe również. Najintensywniej dzielą się komórki macierzyste nabłonków (naskórek, nabłonek układu pokarmowego) i szpiku kostnego, stąd najbardziej charakterystyczne objawy to nudności, wymioty, łysienie czy też niedokrwistość. Narządami, które są odpowiedzialne za usuwanie trucizn z naszego organizmu są m.in. nerki i wątroba – zatem one również są narażone na efekty uboczne terapii. Ponadto bardzo często następuje uszkodzenie mięśnia sercowego. Radioterapia, czyli leczenie za pomocą promieniowania jonizującego w wielu przypadkach również uszkadza zdrowe tkanki w otoczeniu guza. Dlatego poszukiwanie sposobu dostarczenia leku czy też izotopu promieniotwórczego bezpośrednio do komórek nowotworowych to jedno z ważniejszych wyzwań onkologii. Tu właśnie nanotechnologia może okazać się najlepszym narzędziem do osiągnięcia takiego celu.

Nanocząsteczki, które jak koń trojański dostarczają lek bezpośrednio do komórek nowotworowych mogą stać się rozwiązaniem, na które wszyscy czekali. Eksperymenty przeprowadzane są nie tylko na zwierzętach ale trwają również badania kliniczne na pacjentach. Najwięcej ośrodków badawczych zajmujących się tego typu badaniami znajduje się w USA, gdyż nakłady finansowe na nanonaukę są nieporównywalnie wyższe niż w innych krajach. Natomiast krajem przodującym w produktach nano jest Japonia. Nie ma się czemu dziwić – wydatki na nanonaukę w Kraju Kwitnącej Wiśni (podobnie jak w USA) są wyższe niż całej Unii Europejskiej.

Leczenie z użyciem nanotechniki polega najczęściej na stosowaniu baloników liposomowych lub fulerenowych, w których zamknięte są terapeutyki. Aby takie opakowania mogły spełnić właściwie swoją rolę, ich otoczka musi być nietoksyczna i niewykrywalna dla komórek układu immunologicznego czy wątroby. Zlokalizowanie celu może się odbywać za pomocą przeciwciał na powierzchni takich struktur, które rozpoznawałyby swoiste antygeny (np. białko PSA w przypadku komórek raka prostaty).

W chemioterapii często stosuje się koktajl leków, nie tylko jedną substancję. Chemicy z Instytutu Technologicznego w Massachusetts (MIT) poradzili sobie i z tym problemem – wymyślili struktury, które są połączonymi modułami zawierającymi różne cytostatyki (doksorubicynę, kamptotecynę i cysplatynę – leki stosowane w leczeniu raka jajnika). Każdy z leków wnika do komórki w inny sposób, wszystkie skutecznie. Wyniki tych badań opublikowano w prestiżowym Journal of the American Chemical Society, w marcu br.

Podróż w świat nano (źródło: National Cancer Institute)

Zamiast chemioterapeutyków można dostarczać do komórek cząsteczki RNA, który umożliwia zmianę ekspresji genów odpowiedzialnych za proces nowotworzenia (zjawisko wyciszania genów, tzw. interferencja RNA). Badania kliniczne nad terapią celowaną tego typu przeprowadza Mark E. Davis z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego w Pasadenie (Nature, 2010). Co ciekawe, Davis zainteresował się nanotechniką gdy jego żona zachorowała na raka piersi i przeszła ciężką, niezwykle wyniszczającą chemioterapię doksorubicyną, która jest skutecznym ale bardzo toksycznym cytostatykiem, zwanym ze względu na kolor „czerwoną śmiercią”.

Inne zastosowanie nanocząsteczek to zamykanie w nich szczepionek przeciw wirusom, zarówno układu oddechowego (np. grypa), jak również patogenom wnikającym przez układ moczowo-płciowy, jak HIV, brodawczak (HPV) czy wirus opryszczki pospolitej (HSV). Cząsteczki takie miałyby za zadanie wiązać się z błoną śluzową odpowiednich narządów i tworzyć ochronę przeciw zakażeniu wirusami, poprzez długotrwałe uwalnianie szczepionki i tym samym inicjowanie odpowiedzi układu odpornościowego. Tego typu badania przeprowadzają m.in. naukowcy z MIT.

W Polsce również mamy wiele ośrodków naukowych zajmujących się nanotechnologią i jej zastosowaniem w medycynie. Badania tego typu prowadzone są na Uniwersytecie Wrocławskim, Politechnice Warszawskiej czy Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Projekty dotyczą walki z rakiem, cukrzycą oraz wytwarzaniem biomateriałów, w tym nanorurek do pokrywania implantów aby zmniejszyć ryzyko ich odrzucenia.

Szczytem marzeń jest połączenie biologii syntetycznej (SynBio), inżynierii genetycznej XXI stulecia, z nanotechnologią. Celem SynBio jest tworzenie sztucznego życia (AL), budowanie nowych żywych systemów. Jednym z potencjalnych zastosowań tej dziedziny nauki jest stworzenie organizmów, np. bakterii, które walczyłyby z komórkami nowotworowymi. Jednym ze sposobów mogłoby być tworzenie przez takie bakterie biofilmów, które zawierałyby nanocząsteczki o właściwościach ochronnych lub leczniczych. Ponadto ułatwiałyby przekazywanie specjalnych sygnałów pomiędzy komórkami, co mogłoby np. sprzyjać szybkiej regeneracji uszkodzonych tkanek. Takie eksperymenty zostały już opisane w Nature Material w marcu 2014r.

Przykłady które podałam to kropla w oceanie możliwości. Być może w niedługiej przyszłości dzięki nanorobotom nie będziemy musieli poddawać się nieprzyjemnym badaniom endoskopowym (np. kolonoskopii czy gastroskopii – kto przeżył ten wie, że to ostatnia rzecz jakiej chciałoby się jeszcze kiedykolwiek doświadczyć) a wszelkie infekcje czy uszkodzenia będą rozpoznawane i leczone w sposób precyzyjny i niemal nieinwazyjny.

Wszystko dzięki fantastycznej nano-przygodzie.

„Fantastyczna nano-podróż” XXI wieku? Film ukazujący jak nanorobot mógłby odnajdywać bakterie chorobotwórcze we krwi (źródło: Nanobotmodels Company, http://www.nanobotmodels.com).

Sylwia Borska