Mały może więcej

Mały może więcej

Robot zwalczający raka przypomina chrabąszcza, tyle że jest 2 tys. razy cieńszy od włosa.

Nanotechnologia robi zdumiewające postępy. Naukowcy od dawna marzyli o flocie mikroskopijnych robotów, która krążyłaby w naczyniach krwionośnych, tępiła wirusy, likwidowała złogi miażdżycowe, niszczyła komórki nowotworów i amyloidowe blaszki w mózgu powodujące demencję. Te fantastyczne wizje mogą się stać rzeczywistością.

Nanos to po grecku karzełek. Nanocząsteczki mają zazwyczaj średnicę mniejszą niż 100 nanometrów. Jeden nanometr to jedna milionowa milimetra. Amerykańscy specjaliści z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering Uniwersytetu Harvarda skonstruowali nanoroboty czy też nanoboty zwalczające komórki nowotworowe. Poinformował o tym w ostatnim wydaniu magazyn „Science”. Zespół naukowców, na czele którego stoi dr Shawn Douglas, zastosował specjalny program komputerowy, tworzący trójwymiarowe struktury z maleńkich odcinków materiału genetycznego – DNA. Tego rodzaju metoda nosi nazwę DNA origami.
Badaczom udało się stworzyć i połączyć dwie sześciokątne nanorurki. W ten sposób powstał nanobot przypominający sześciokątnego chrabąszcza mającego 45 nanometrów wysokości i 35 nanometrów szerokości. Jest więc 2 tys. razy cieńszy od ludzkiego włosa i 5 tys. razy mniejszy niż kończąca to zdanie kropka. Nanobot składa się z powłoki, „ładowni” oraz dwóch „zamków” czy też „drzwi”. Zamki są zbudowane z aptamerów, krótkich, pojedynczych łańcuchów DNA, których strukturę można wymodelować w ten sposób, że rozpoznają określone komórki, np. nowotworowe, i z nimi się łączą. W tym momencie zamki sprawiają, że nanobot się otwiera i wysypuje do komórki swój ładunek substancji czynnej.
W pierwszym eksperymencie badacze umieścili w każdym chrabąszczu po jednej molekule, która zabija komórkę, zakłócając jej cykl wzrostu. Potem miliardy wyprodukowanych w laboratorium nanobotów znalazły się w mieszaninie komórek raka krwi (białaczki) i zdrowych. Po trzech dniach połowa komórek nowotworowych była już martwa. Komórki zdrowe nie doznały żadnej szkody. To dzięki swoim dwóm zamkom mikroskopijne roboty rozpoznają komórki cele niezwykle precyzyjnie.

Skuteczni nanokomandosi

Podobny eksperyment, w którym nanoboty zwalczały komórki chłoniaka, również przyniósł zachęcające rezultaty. W kolejnym doświadczeniu nanoboty, jako swego rodzaju transportery czy taksówki, przenosiły molekułę pobudzającą aktywność limfocytów T, niszczących komórki obce dla organizmu. W każdym z tych eksperymentów zamki z aptamerów musiały być modyfikowane, aby mogły rozpoznać odpowiednie komórki.
Dr Douglas podkreśla, że nanoboty dokonują „chirurgicznych uderzeń”, jak słynni amerykańscy komandosi Navy Seals. „Zdolność do chirurgicznych uderzeń przy użyciu struktur w nanoskali pozwoli w przyszłości opracować terapie bezpieczne dla pacjenta”, zapewnia naukowiec. Chemioterapia, jak wiadomo, niszczy komórki nowotworowe, ale jest niebezpieczna także dla komórek zdrowych, ma więc bardzo poważne skutki uboczne. Nanoterapia unicestwi tylko tkanki nowotworowe.
Eksperymenty na razie udały się w laboratorium. Shawn Douglas i jego koledzy zamierzają przeprowadzić doświadczenie na myszach. Będzie to jednak znacznie trudniejsze zadanie. Technologia wytwarzania nanobotów jest kosztowna. Aby zadziałały w żywym organizmie, zapewne będą ich potrzebne tryliony. Ponadto mikroskopijne roboty niewątpliwie zostaną rozpoznane jako obce i zaatakowane przez komórki układu odpornościowego. Będą trawione przez proteazy we krwi, rozkładane przez enzymy z nerek i przeważnie ulegną zniszczeniu, zanim dotrą do celu. Dlatego naukowcy zamierzają pokryć „chrabąszcze” z DNA ochronnym płaszczem z polietyloglikolu, polimeru stosowanego już w medycynie.
Godne uznania sukcesy w walce z komórkami rakowymi, aczkolwiek również tylko w laboratorium, odnieśli wcześniej Jeffrey Brinker i jego współpracownicy z University of New Mexico w Albuquerque. Prawdopodobieństwo, że skonstruowane przez nich nanoboty znajdą chorą komórkę, jest 10 tys. razy większe niż możliwość, że dotrą do komórki zdrowej. Podczas eksperymentu zlikwidowały kulturę komórek raka wątroby w zaledwie jeden dzień. Mikroskopijne roboty mają skomplikowaną budowę, która powinna je ochronić przed atakami komórek układu odpornościowego organizmu. Komórki te rozpoznają przede wszystkim znajdujące się na powierzchni nanobotów molekuły, które odnajdują chore komórki. Maleńkie roboty otrzymały więc podwójną powłokę z liposomów (rodzaj tłuszczu). Powłoka ta jest elastyczna i ruchliwa, można więc rozmieścić na niej cząsteczki rozpoznawcze w optymalny sposób. Ale liposomowa otoczka sprawia, że nanoboty nie są stabilne, wirują i błądzą we krwi, zabierają też niewiele ładunku. Naukowcy umieścili więc w tej elastycznej powłoce twardy rdzeń z porowatego dwutlenku krzemu, o średnicy 150 nanometrów. W porach rdzenia mieści się dostateczna ilość substancji czynnej. Komórki rakowe nie mają szans – przynajmniej w laboratorium.

Terapia nanodiamentowa

Pomyślne doświadczenia na zwierzętach przeprowadzili już za to Dean How i jego koledzy z amerykańskiego Northwestern University w Evanston w stanie Illinois. Użyli do tego mikroskopijnych diamentów o średnicy zaledwie 80 nanometrów. Nanodiamenty mają powstrzymać komórki nowotworowe przed usuwaniem substancji czynnych w trakcie chemioterapii. Komórki nowotworowe często szybko i skutecznie wyrzucają ze swojego wnętrza te substancje. Niektóre potrafią to z natury, wywodzą się bowiem z komórek wątroby, wyspecjalizowanej w odtruwaniu organizmu. Inne wykształcają ten mechanizm po pierwszych próbach chemioterapii. W konsekwencji substancje chemiczne są usuwane, zanim dotrą do DNA komórki i powstrzymają ją przed podziałem. Specjaliści z Evanston połączyli używany w chemioterapii antybiotyk doksorubicynę z nanodiamentami. Powstały w ten sposób chemiczny diament jest zbyt duży, aby komórki nowotworowe mogły go usunąć.
Naukowcy wstrzyknęli diamenty pokryte doksorubicyną myszom chorym na nowotwór wątroby i gruczołu piersiowego. Inne gryzonie z tymi rodzajami raka otrzymały samą substancję czynną. Okazało się, że myszy poddane terapii nanodiamentowej mają się zdecydowanie lepiej. Guzy nowotworowe znikały w ich organizmach szybciej, zdrowe komórki nie zostały uszkodzone, łagodniejsze były też skutki uboczne. Substancja chemiczna z nanodiamentami zostawała bowiem w chorych komórkach dłużej. Mniejsze jej ilości przedostawały się z komórek do krwi, a wraz z nią do zdrowych tkanek. Naukowcy mają nadzieję, że nanodiamentowa terapia znajdzie zastosowanie zwłaszcza w przypadku przerzutów nowotworowych czy nawrotu choroby.
W komentarzu do studium na temat diamentowego eksperymentu, opublikowanym na łamach „Science Translational Medicine”, dr Timothy Merkel z University of North Carolina w Chapel Hill napisał, że nanocząsteczki mogą przenosić także kombinacje różnych substancji czynnych. Naukowcy testują do tego celu także inne materiały, np. nanocząsteczki polimerów. Nanotechnologia umożliwi w przyszłości wiele różnych terapii. Trwają np. eksperymenty mające wykazać, czy nanocząsteczki pomogą wyleczyć malarię lub AIDS.
Najwięksi optymiści przewidują, że nanoroboty umożliwią powrót do życia osobom w stanie śmierci klinicznej. Ludzie, którzy zdecydowali się na zamrożenie swoich ciał po śmierci w nadziei na to, że rozwój nauki zapewni im zmartwychwstanie, liczyli przede wszystkim na nanotechnologię.

Wydanie: 9/2012

Kategorie: Nauka

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy