Nanotechnologia, manipulowanie materią w skali atomowej i molekularnej, w celu stworzenia materiałów o zadziwiająco zróżnicowanych właściwościach, to szybko rozwijający się obszar badań o ogromnym potencjale w wielu sektorach, od opieki zdrowotnej po elektronikę. W medycynie obiecuje zrewolucjonizować dostarczanie leków, terapię genową, diagnostykę oraz wiele obszarów badań, rozwoju i zastosowań klinicznych.
W tym artykule nie podjęto próby omówienia całego zagadnienia, ale na podstawie kilku przykładów można uzyskać wgląd w to, jak nanotechnologia może zmienić medycynę, zarówno w laboratorium badawczym, jak i klinicznym, jednocześnie dotykając pewnych wyzwań i obaw.
Co to jest nanotechnologia?
Przedrostek «nano» pochodzi od starożytnego greckiego oznaczającego «krasnolud». W nauce określa to jedną miliardową część (10 do minus 9) czegoś, tak więc nanometr (nm) to jedna miliardowa część metra, czyli 0,000000001 metrów. Nanometr ma szerokość od trzech do pięciu atomów, co oznacza, że jest około 40 000 razy mniejszy niż grubość ludzkiego włosa. Wirus ma zwykle rozmiar 100 nm.
Zdolność do manipulowania strukturami i właściwościami w nanoskali w medycynie jest jak posiadanie sub-mikroskopowej ławy laboratoryjnej, na której można operować komponentami komórki, wirusami lub fragmentami DNA, używając szeregu drobnych narzędzi, robotów i rur.
Manipulowanie DNA
Terapie, które obejmują manipulację poszczególnymi genami lub szlakami molekularnymi wpływającymi na ich ekspresję, są coraz częściej badane jako opcja w leczeniu chorób. Jednym z niezwykle pożądanych celów w tej dziedzinie jest zdolność do dostosowywania leczenia do składu genetycznego poszczególnych pacjentów.
To z kolei stwarza potrzebę narzędzi, które pomagają naukowcom eksperymentować i rozwijać takie metody leczenia.
Wyobraźmy sobie, że możemy rozciągnąć odcinek DNA jak splot spaghetti, aby można go było badać lub operować na nim, lub budować nanoroboty, które mogą «chodzić» i przeprowadzać naprawy wewnątrz komórek. Nanotechnologia przybliża ten naukowy koncept do rzeczywistości.
Na przykład, naukowcy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego zdołali przymocować powlekane perełki lateksowe do zmodyfikowanego DNA. Następnie, za pomocą «pułapki optycznej» z skupioną wiązką światła, udało im się utrzymać kulki w miejscu, a w ten sposób wyciągnąć pasmo DNA, aby badać interakcje specyficznych białek wiążących.
Nanoboty i nanostary
Tymczasem chemicy z New York University (NYU) stworzyli robota w nanoskali z fragmentów DNA, który porusza się na dwóch nogach o długości 10 nm. W artykule opublikowanym w 2004 roku w czasopiśmie Nano Letters opisano, w jaki sposób ich «nanowalker», z pomocą cząsteczek psoralenu przyczepionych do końców jego stóp, wykonuje swoje pierwsze kroki: dwa do przodu i dwa do tyłu.
Jeden z naukowców, Ned Seeman, zauważył, że przewiduje możliwość stworzenia linii produkcyjnej na skalę molekularną, w której można przesuwać cząsteczkę, aż do uzyskania właściwej lokalizacji, a nanobot wykonuje na niej «punktowe spawanie» na linii montażowej. Laboratorium Seemana na Uniwersytecie Nowojorskim również chce wykorzystać nanotechnologię DNA do stworzenia komputera bioczipowego i dowiedzieć się, jak krystalizują się molekuły biologiczne, co jest obecnie pełne wyzwań.
Prace, które wykonuje Seeman i współpracownicy, są doskonałym przykładem «biomimetyki», gdzie dzięki nanotechnologii mogą imitować procesy biologiczne w przyrodzie.
Nanoboty oparte na DNA są również tworzone w celu ukierunkowania na komórki rakowe. Na przykład, naukowcy z Harvard Medical School w USA donieśli ostatnio o tym, jak stworzyli «origami nanorobota» z DNA, który transportuje molekularne ładunki. Nanobot w kształcie beczki może przenosić molekuły zawierające instrukcje, które sprawiają, że komórki zachowują się w określony sposób. Zespół z powodzeniem demonstruje, jak dostarczane są cząsteczki, które wyzwalają apoptozę komórek w białaczce i komórkach chłoniaka.
Opracowywane są również nanoboty wykonane z innych materiałów. Na przykład, złoto jest wykorzystywane przez naukowców z Northwestern University, którzy używają nanocząstek w kształcie gwiazdy do dostarczania leków bezpośrednio do jądra komórek nowotworowych. W artykule w dzienniku ACS Nano opisują, jak nanostary naładowane lekami działają jak małe autostopowiczki, które po przyciągnięciu się do nadmiernie eksprymowanego białka na powierzchni ludzkich komórek raka szyjki macicy i jajnika, odkładają swoje ładunki w jądrach tych komórek.
Naukowcy odkryli, że dzięki kształtowi gwiazdy nanobotów udało się przezwyciężyć jedno z wyzwań związanych z wykorzystaniem nanocząsteczek w dostarczaniu leków: precyzyjne uwalnianie leków. Mówią, że kształt pomaga skoncentrować impulsy świetlne używane do uwalniania leków dokładnie w punktach gwiazdy.
Nanofabryki, które produkują leki na miejscu
Naukowcy odkrywają, że leki oparte na białkach są bardzo przydatne, ponieważ można je zaprogramować do dostarczania określonych sygnałów do komórek. Jednak problem z konwencjonalną dostawą takich leków polega na tym, że ciało zrywa większość z nich, zanim dotrą do miejsca przeznaczenia.
Ale co by było, gdyby można było wytwarzać takie leki in situ, bezpośrednio w miejscu docelowym? W najnowszym numerze Nano Letters, naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA pokazują, jak to może być możliwe. W ramach dowodu koncepcji demonstrują wykonalność samoorganizujących się «nanofabrykatów», które wytwarzają związki białkowe na żądanie, w docelowych miejscach. Do tej pory przetestowali ten pomysł na myszach, tworząc nanocząsteczki zaprogramowane do wytwarzania białka zielonej fluorescencji (GFP) lub lucyferazy eksponowanej na światło UV.
Zespół MIT wpadł na ten pomysł, próbując znaleźć sposób na zaatakowanie nowotworów przerzutowych, które wyrastają z komórek rakowych, które przeszły z pierwotnego miejsca na inne części ciała. Ponad 90% zgonów z powodu raka jest wynikiem raka przerzutowego. Obecnie pracują nad nanocząsteczkami, które mogą syntetyzować potencjalne leki przeciwnowotworowe oraz nad innymi metodami ich włączania.
Nanowłókna
Nanowłókna są włóknami o średnicy mniejszej niż 1000 nm. Zastosowania medyczne obejmują specjalne materiały na opatrunki na rany, tkaniny chirurgiczne, materiały stosowane w implantach, inżynierii tkankowej i sztucznych elementach narządów.
Nanowłókna wykonane z węgla są również obiecujące dla obrazowania medycznego i precyzyjnych narzędzi pomiarowych. Jednak istnieją ogromne wyzwania do pokonania, a jednym z głównych jest to, jak je konsekwentnie produkować. Historycznie było to czasochłonne i trudne.
Ale w zeszłym roku naukowcy z North Carolina State University ujawnili, w jaki sposób opracowali nową metodę wytwarzania nanowłókien węglowych o określonych rozmiarach. Pisząc w ACS Applied Materials & Interfaces w marcu 2011 r., Opisują, jak udało im się wyhodować nanowłókna węglowe o jednakowej średnicy, używając nanocząstek niklu pokrytych powłoką z ligandów – małych cząsteczek organicznych, które wiążą się bezpośrednio z metalami.
Nanocząsteczki niklu są szczególnie interesujące, ponieważ w wysokich temperaturach pomagają w tworzeniu nanowłókien węglowych. Naukowcy odkryli również, że istnieje inna korzyść z zastosowania tych nanocząsteczek, mogli określić, gdzie wzrosły nanowłókna oraz poprzez odpowiednie rozmieszczenie nanocząsteczek, w których mogą one wyhodować nanowłókna w pożądanym wzorze – co jest kluczową cechą materiałów przydatnych w skali niszowej.
Ołów to kolejna substancja, która znajduje zastosowanie jako nanowłókno. Matthew MacEwan, przyszły neurochirurg studiujący w Washington University School of Medicine w St. Louis, założył własną firmę zajmującą się nanomedycyną, której celem była rewalidacja siatki chirurgicznej używanej na całym świecie.
Produkt wiodący jest polimerem syntetycznym zawierającym pojedyncze pasma nanowłókien i został opracowany w celu naprawy urazów mózgu i rdzenia kręgowego. MacEwan uważa, że może być również użyty do naprawienia przepuklin, przetok i innych urazów.
Obecnie siatki chirurgiczne stosowane do naprawy błony ochronnej pokrywającej mózg i rdzeń kręgowy są wykonane z grubego i sztywnego materiału, z którym trudno pracować. Ołowiane nanowłókna są cieńsze, bardziej elastyczne i bardziej podatne na integrację z własnymi tkankami, mówi MacEwan. Każda nić siatki nanowłókien jest tysiące razy mniejsza niż średnica pojedynczej komórki. Chodzi o to, aby użyć nanowłókien nie tylko do ułatwienia operacji chirurgom, ale także z uwagi na mniejszą liczbę komplikacji dla pacjentów, ponieważ z biegiem czasu rozkładają się naturalnie.
Naukowcy z Instytutu Politechnicznego Uniwersytetu Nowojorskiego (NYU-Poly) pokazali niedawno nowy sposób na białko makenanowisk. Pisząc niedawno w czasopiśmie Advanced Functional Materials, naukowcy twierdzą, że natknęli się na swoje odkrycie niemal przez przypadek: badali pewne cylindryczne białka pochodzące z chrząstki, kiedy stwierdzili, że w wysokich stężeniach niektóre białka spontanicznie zeszły się i same się złożyły.
Przeprowadzili oni dalsze eksperymenty, takie jak dodanie aminokwasów rozpoznających metale i różnych metali, stwierdzając, że mogą kontrolować tworzenie włókien, zmieniać ich kształt i wiązać się z małymi cząsteczkami. Na przykład, dodanie niklu przekształciło włókna w zlepione maty, które można wykorzystać do wyzwalania uwalniania przyłączonej cząsteczki leku.
Naukowcy mają nadzieję, że ta nowa metoda znacznie poprawi dostarczanie leków do leczenia raka, chorób serca i choroby Alzheimera. Mogą również dostrzegać zastosowania w regeneracji ludzkiej tkanki, kości i chrząstki, a nawet w opracowywaniu bardziej wydajnych mikroprocesorów do użycia w komputerach i elektronice użytkowej.
Co z przyszłością i obawami związanymi z nanomateriałami?
W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost liczby badań wskazujących na różnorodność zastosowań medycznych nanotechnologii i nanomateriałów. W tym artykule ujrzeliśmy jedynie mały przekrój tego rozległego pola. Jednak przed nami stoją wyzwania, z których największym wydaje się być zwiększenie skali produkcji materiałów i narzędzi oraz redukcja kosztów i czasu.
Kolejnym wyzwaniem jest szybkie zabezpieczenie zaufania publicznego, że ta szybko rozwijająca się technologia jest bezpieczna. Na razie nie jest jasne, czy to się udaje.
Są tacy, którzy sugerują, że obawy dotyczące nanotechnologii mogą być przesadzone. Wskazują na fakt, że tylko dlatego, że materiał jest nanoskalany, nie oznacza, że jest on niebezpieczny. W rzeczywistości nanocząstki istnieją od czasów narodzin Ziemi, naturalnie występując w popiołach wulkanicznych i rozpryskach morskich. Jako produkty uboczne działalności człowieka były obecne w epoce kamienia, w dymie i sadzy.
Podejmując próby zbadania bezpieczeństwa nanomateriałów, National Cancer Institute w USA twierdzi, że istnieje wiele nanocząsteczek naturalnie obecnych w środowisku, które są «często o wartościach wyższych o magnitudę wyższe niż badane cząstki poddawane ocenie». Pod wieloma względami podkreślają, że «większość zaprojektowanych nanocząsteczek jest znacznie mniej toksyczna niż produkty do czyszczenia w domu, środki owadobójcze stosowane w domowych zwierzętach domowych i środki przeciw łupieżowi sprzedawane bez recepty» oraz że na przykład ich stosowanie jako nośników chemioterapeutyków w leczeniu raka jest znacznie mniej toksyczne niż leki, które noszą.
Prawdopodobnie w sektorze spożywczym obserwujemy jedne z największych ekspansji nanomateriałów na skalę komercyjną. Chociaż liczba produktów żywnościowych zawierających nanomateriały jest nadal niewielka, wydaje się, że zmieni się to w ciągu kilku lat wraz z rozwojem technologii. Nanomateriały są już wykorzystywane do obniżania poziomu tłuszczu i cukru bez zmieniania smaku lub do ulepszania opakowania, aby utrzymać świeżość jedzenia na dłużej lub do informowania konsumentów, czy żywność jest zepsuta. Są również wykorzystywane do zwiększenia dostępności biologicznej składników odżywczych (na przykład w suplementach diety).
Ale są też zainteresowane strony, które podkreślają, że choć tempo badań przyspiesza, a rynek nanomateriałów nabiera kształtów, wydaje się, że robi się za mało, aby odkryć ich toksyczne konsekwencje.
Taka była opinia komitetu naukowego i technologicznego Izby Lordów brytyjskiego parlamentu, który w niedawnym raporcie dotyczącym nanotechnologii i żywności podniósł kilka obaw dotyczących nanomateriałów i zdrowia ludzi, w szczególności ryzyka stwarzanego przez badane nanomateriały.
Na przykład, jednym obszarem, który dotyczy komitetu, jest wielkość i wyjątkowa ruchliwość nanocząsteczek: są one wystarczająco małe, jeśli zostaną połknięte, aby przeniknąć błony komórkowe wyściółki jelita, z możliwością dostępu do mózgu i innych części ciała, a nawet wewnątrz jąder komórek.
Inną kwestią jest rozpuszczalność i trwałość nanomateriałów. Co dzieje się na przykład z nierozpuszczalnymi nanocząsteczkami? Jeśli nie można ich złamać, strawić lub zdegradować, czy istnieje niebezpieczeństwo, że będą się gromadzić i uszkadzać narządy? Uważa się, że nanomateriały zawierające nieorganiczne tlenki metali i metale stanowią największe zagrożenie w tym obszarze.
Ponadto, ze względu na wysoki stosunek powierzchni do masy, nanocząsteczki są wysoce reaktywne i mogą, na przykład, wywoływać nieznane reakcje chemiczne lub wiązać się z toksynami, pozwalając im wejść do komórek, które inaczej nie miałyby dostępu.
Na przykład, ze względu na duże pole powierzchni, reaktywność i ładunek elektryczny, nanomateriały tworzą warunki do «agregacji cząstek» z powodu sił fizycznych oraz «aglomeracji cząstek» z powodu sił chemicznych, tak że poszczególne nanocząsteczki łączą się, tworząc większe cząstki. Może to prowadzić nie tylko do znacznie większych cząstek, na przykład w komórkach wewnętrznych jelita, ale również do dezagregacji grudek nanocząsteczek, co może radykalnie zmienić ich właściwości fizykochemiczne i reaktywność chemiczną.
«Takie odwracalne zjawiska zwiększają trudność w zrozumieniu zachowania i toksykologii nanomateriałów», mówi komitet, którego ogólny wniosek jest taki, że ani rząd, ani rady badawcze nie nadają wystarczającego priorytetu badaniom bezpieczeństwa nanotechnologii, zwłaszcza «biorąc pod uwagę skalę, w której produkty zawierające nanomateriały mogą być rozwijane».
Zalecają przeprowadzenie znacznie większej liczby badań, aby «zapewnić, że agencje regulacyjne mogą skutecznie oceniać bezpieczeństwo produktów, zanim zostaną dopuszczone na rynek».
W związku z tym, wydaje się, że faktyczne lub postrzegane potencjalne ryzyko, jakie nanotechnologia stwarza dla zdrowia ludzkiego, musi być badane i postrzegane jako problem, który wymaga analizy. Większość nanomateriałów, jak sugeruje NCI, prawdopodobnie okaże się nieszkodliwa.
Ale gdy technologia szybko się rozwija, wiedza i komunikacja na temat jej bezpieczeństwa muszą nadążyć za tymi zmianami, aby mogły być skuteczne, zwłaszcza jeśli mają na celu zwiększenie zaufania publicznego. Wystarczy spojrzeć na to, co się wydarzyło, i do pewnego stopnia nadal się dzieje, z genetycznie zmodyfikowaną żywnością, aby zobaczyć, jak to może pójść źle.
Napisane przez dr Catharine Paddock
