Niedługo miną 54 lata od pamiętnego wykładu profesora Richarda Feynmana „There’s Plenty of Room at the Bottom”, w którym po raz pierwszy nakreślona została koncepcja nanotechnologii. Na szczęście dla współczesnych badaczy miejsca „tam na dole” wciąż nie brakuje i wciąż pojawiają się nowe pomysły, w jaki sposób wykorzystać potencjał skali nano. Ten kierunek rozwoju udzielił  się również biotechnologii – coraz częściej słyszy się o nanocząstkach jako potencjalnych nośnikach leków, odczynnikach diagnostycznych czy elementach terapii fotodynamicznej. W dziedzinie bionanotechnologii jeszcze niejedno spektakularne odkrycie może się zdarzyć, dlatego warto przyjrzeć się czego udało się dokonać w roku 2013.

Styczeń

Wraz z początkiem nowego roku świat obiegła wiadomość o osiągnięciu grupy bioiżynierów z Johns Hopkins – ich polimerowym PEG-ylowanym nanocząstkom udało się pokonać barierę krew-mózg. Wykazano, iż upakowany w nich lek przeciwnowotworowy (doksorubicyna) 5- razy skuteczniej przenikał do mózgu niż w przypadku tradycyjnego sposobu podania. Naukowcy widzą w tych nanokapsułkach nadzieję nie tylko na poprawę skuteczności leczenia nowotworów, ale także udarów, choroby Parkinsona czy Alzheimera.

W tym samym miesiącu w fazę kliniczną wkroczyła eksperymentalna terapia przeciwko wirusowi HIV, opracowana przez naukowców z University of Liverpool. Innowacja polegała na wykorzystaniu znanych leków anty-retrowirusowych w skojarzeniu z nanocząstkami, co pozwoliło na zmniejszenie przyjmowanych dawek terapeutyku i znaczne ograniczenie skutków ubocznych. Nowa forma leku ma szanse rozwiązać problem braku skutecznej terapii przeciwko AIDS dla małych dzieci.

Luty

Bionanotechnologia pośpieszyła na ratunek inżynierii tkankowej – nowy biodegradowalny nanomateriał posłużył jako rusztowanie do regeneracji tkanek i narządów. Wynalazek badaczy z Texas A&M Health Science Center Baylor College of Dentistry może zostać podany w postaci hydrożelu do dowolnego miejsca, ponieważ zawiera samoorganizujące się peptydy imitujące naturalną substancję pozakomórkową.

Inne biodegradowalne nanocząstki znalazły zastosowanie w leczeniu stwardnienia rozsianego. Ich zadaniem w organizmie myszy było dostarczenie antygenów mieliny, tak by układ odpornościowy przestał je rozpoznawać jako obce. Metoda specyficznego zahamowania reakcji autoagresji zamiast całkowitej immunosupresji okazało się niezwykle skuteczne, a jej odkrywcy z Northwestern Medicine planują rozszerzenie swoich badań o cukrzycę typu 1, astmę i rożne typy alergii.

Marzec

Na wiosnę najnowszym trendem w nanomedycynie okazały nanocząstki produkowane przez… grzyby. Arthrobotrys oligospora wydziela jednolite nanokompozyty, które oprócz tego, ze unieszkodliwiają nicienie, mają zdolność stymulowania układu immunologicznego. Profesor Zhang i jego zespół z University of Tennessee w testach in vitro potwierdzili efektywność owych grzybowych nanocząstek w zwalczaniu komórek nowotworowych i, jak sami podkreślają, to na pewno nie będzie jedyne zastosowanie tych naturalnych immunostymulantów.

Kolejny cios został wymierzony nowotworom dzięki nanocząstkom lokalizującym raka piersi. Stworzone przez interdyscyplinarny zespół z University of Callifornia krzemionkowe nanosfery wypełnione żelazem kumulują się w obrębie guzów i pozwalają na wykrycie nawet małych zmian widocznych w USG. Ten nowoczesny i dokładny środek kontrastowy pozwoli na skrócenie czasu operacji wycięcia guzków (lumpektomii) oraz zmniejszenia częstości dokonywania takich zabiegów.

Kwiecień

W tym miesiącu badacze z University of California z prof. Zhang’iem na czele opublikowali kolejny przełomowy wynalazek – nanogąbki wchłaniające toksyny. W przeciwieństwie do standardowego leczenia zatruć działają one na całe grupy trucizn jednocześnie (ta sama gąbka wchłonie enterotoksyny MRSA, E. Coli, jad węża i pszczoły). Ich skuteczność udowodniono w badaniu na myszach, którym podano śmiertelne dawki trucizn – dzięki nanogąbkom zwierzęta przeżyły.

Prawie równocześnie nanocząstki znów okazały się podporom dla medycyny regeneracyjnej – sensie jak najbardziej dosłownym. Zespół z Chinese Academy of Science udowodnił, że neurony mogą bardzo dobrze rozwijać się na piance grafenowej pokrytej laminami w hodowli 3D. Ten przewodzący prąd nanomateriał ma szanse w przyszłości pomóc w naprawie ubytków tkanki nerwowej u pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi.

Maj

O zdrowotnych korzyściach spożywania grejpfrutów napisano już wiele, jednak publikacja o nanowektorach z tych owoców i ich zaletach ukazała się dopiero w maju bieżącego roku. Grupa naukowców z University of Louisville stworzyła nanosfery z lipidów pochodzenia grejpfrutowego, które mogą zostać wykorzystane jako bezpieczne i tanie nośniki leków. Ich skuteczność terapeutyczną potwierdziły badania kliniczne na chorych z rakiem jelita grubego.

Lipidowe nośniki leków w skali nano mają szanse zaistnieć również w terapii raka płuc. Opracowane przez zespół z Oregon State University nanocząstki nie tylko działają w drogach oddechowych, ale są też przez niego dostarczane. Dzięki prostej i wygodnej formie podania jaką jest inhalacja, terapeutyki np. siRNA mogą bezpośrednio dotrzeć do komórek nowotworowych nie kumulując się w ważnych narządach takich jak wątroba czy nerki.

Czerwiec

Dostarczanie drogami oddechowymi nanocząstek sprawdziło się także w terapii genowej choroby Parkinsona. Nanonosniki opracowane przez Copernicus Therapeutics zostały związane z plazmidami zawierającymi gen GDNF i podane donosowo szczurom. Kompleksy ominęły barierę krew-mózg i zwiększyły przeżywalność neuronów dopaminergicznych, tym samym hamując progres choroby, a nawet łagodzić jej skutki.

Badaczom z Duke University nanocząstki srebra posłużyły jako narzędzie do szybkiego wykrywania infekcji.  AgNP namierzają we krwi pacjentów specyficzne biomarkery obecne podczas zakażenia, a po związaniu się z nimi załamują światło w charakterystyczny sposób. Technika ta wykorzystująca jedynie spektroskopię Ramana ma szanse znacznie usprawnić i uprościć proces diagnostyczny.

Lipiec

Jeden lek to za mało? – zamknijmy kilka w jednej nanocząstce, na taki pomysł wpadło kilku naukowców z Memorial Sloan Kettering Cancer Center. Przygotowany zol organiczno-krzemionkowy oddali działaniu kwasu, przez co uzyskali struktury podzielone na kilka kompartmentów, wszystkie wielkości paru nanometrów. Te sprytne nanoopakowania dla farmaceutyków mogą okazać się niezwykle użyteczne dla terapii skojarzonych.

Naukowcy z Arizona State University także nie próżnowali w te wakacje – do zwalczania nałogu tytoniowego postanowili zatrudnić nanostrukturę DNA. Ma ona stanowić rusztowanie dla składników szczepionki (haptenów i adjuwantow) przeciwko nikotynie. Jeśli nikotyna zostanie związana z przeciwciałem, nie może przenikać z krwi do mózgu, co praktycznie znosi jej uzależniające działanie.

Sierpień

Sterowanie komórkami macierzystymi za pomocą magnesu brzmi dość abstrakcyjnie, ale nie dla zespołu z Emory and Georgia Tech. Załadowali oni mesenchymalne komórki macierzyste (MSC)  PEGylowanymi nanocząstkami tlenku żelaza i badali ich zachowanie warunkach in vivo: przykładając pole magnetyczne do ogona szczura spowodowali nagromadzenie się MSC w tym obszarze. Udowodniono w ten sposób, ze magnetyczne nanocząstki mogą pomagać w odpowiednim rozlokowaniu MSC do miejsc wymagających natychmiastowej regeneracji np. przy zawale mięśnia sercowego.

Nowość pojawiła się także w terapii cukrzycy – badacze z University of Northern Carolina stworzyli porowate osłonki z chitosanu uwalniające insulinę pod wpływem wzrostu stężenia glukozy we krwi. Zmiana przepuszczalności tego materiału są wywołane przez umieszczone we jego wnętrzu i zamknięte w nanokapsulkach oksydazy. W przyszłości wynalazek ten jest w stanie konkurować z niewygodnymi zastrzykami z insuliny, które dziś stanowią codzienność dla chorych na cukrzycę typu 1.

Wrzesień

Diamenty w leczeniu nowotworów? Dlaczego nie, ale jedynie w skali nano – projekt grupy z University of California polegał na połączeniu konwencjonalnego leku doksorubicyny z niekonwencjonalnym jak dotąd nośnikiem czyli nanodiamentem. Nośnik ten odznacza się biozgodnością, dużą uniwersalnością w kwestii dołączanych ligandów oraz odpowiada za dłuższe utrzymywanie się efektywnego stężenia teurapeutyku w obrębie guza. Ze względu na dobre wyniki eksperymentalnej terapii glejaka rozważane są połączenia nanodiamentów z innymi lekami.

Ciekawym pomysłem wydaje się być również wykorzystanie nanocząstek DNA jako nośnika dla białka STING – naturalnego immunosupresanta, stymulującego geny interferonu. Ochraniane przez kwas nukleinowy białko STING hamuje odpowiedź immunologiczną (skuteczność wykazana na modelu mysim), co może znaleźć zastosowanie w leczeniu takich chorób jak RZS, cukrzyca typu 1 czy stwardnienie rozsiane.

Październik

W tym miesiącu naukowcy z EPFL zaprojektowali specjalny materiał hydrożelowy, który pomoże w odbudowie tkanki chrzęstnej. W jego skład wchodzą liposomalne nanocząstki kurczące się pod wpływem ciepła (wytwarzanego podczas ruchu w stawie) – przez powstałe wówczas luki w matrycy uwalniany jest drugi składnik – TGF-β. Opracowany w ten sposób materiał przyśpiesza znacznie wzrost chondrocytów, lecz nadal znajduje się na etapie badań przedklinicznych.

Niespodziewanym odkryciem pochwalili się naukowcy z Georgia Tech and Emory University – okazało się, że komórki ssaków ze wszystkich kształtów nanocząstek preferują te o kształcie… dysku. Wynika to z faktu, iż do owinięcia błony komórkowej wokół nich potrzebna jest stosunkowo najmniejsza ilość energii i ów fakt będzie mieć niebagatelne znaczenie w kontekście projektowania nowych leków w przyszłości.

Listopad

Zespół Pauli Hammond z Instytutu Zintegrowanych Badań Nowotworowych Kocha stworzył złożony lek przeciw jednej z najbardziej złośliwych odmian raka piersi tzw. „potrójnie negatywnej”. Ich wynalazek składał się z rdzenia wypełnionego doksorubicyną otoczonego przez warstwę krótkich dwuniciowych RNA, a całość zamknięta została w osłonce z kwasu hialuronowego. Mechanizm działania jest bardzo sprytny: po wniknięciu przez błonę komórkową interferencyjne RNA wyciszają gen oporności na leczenie, a następnie doksorubicyna zabija komórki nowotworowe. Badania na myszach potwierdziły skuteczność tej terapii – u myszy z ludzkim rakiem piersi odnotowano znaczne zmniejszenie się guzów.

Bardzo ważnym osiągnięciem w tym roku było stworzenie nanocząstek, które można przyjmować doustnie. Wykorzystują one ten sam mechanizm absorpcji przeciwciał z mleka matki jaki występuje u noworodków: nanocząsteki dzięki fragmentom Fc przeciwciał na swojej powierzchni wiążą się z receptorami Fc w przewodzie pokarmowym i zostają przeniesione do krwiobiegu. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology podkreślają, iż  ta metoda może zrewolucjonizować leczenie wielu chorób: daje ona drugą szansę biofarmaceutykom, które wcześniej odrzucono ze względu na ich słabe wchłanianie, ale przede wszystkim pacjenci zamiast bolesnych zastrzyków będą mogli przyjmować leki w postaci wygodnych i bezpiecznych preparatów doustnych.

Grudzień

Pod koniec roku krzemionkowe nanoczastki znalazły nowe, oryginalne zastosowanie w medycynie – konkretnie w leczeniu niepłodności. Ponieważ nie wpływają one na czynności życiowe plemników i można je „załadować” dowolnymi sondami molekularnymi (RNA, DNA, przeciwciała, fluorochromy itp.) wydają się stanowić idealny materiał na nośnik w badaniach diagnostycznych komórek rozrodczych. Autor publikacji, dr Kevin Coward, tłumaczy, że ta technologia może znacznie skrócić i uprościć dotychczasowe procedury postępowania w przypadku niepłodności o nieznanej etiologii.

Ostatnim ciekawym projektem w tym roku okazał się projekt stworzenia nanoklatki złożonej z 8 cząsteczek DNA, którą naukowcy z Aarhus University ochrzcili „nanorobotem kapsułkującym leki”. Nanoklatka składa się samorzutnie, zamykając w swym wnętrzu wybrany związek np. enzym, potrafi się również automatycznie otwierać pod wpływem wyższej temperatury wymuszającej zmianę konformacji łańcucha DNA. Nanorobot i podobne jemu struktury DNA maja zostać w przyszłości zastosowane jako niezwykle precyzyjne systemy dostarczania leków do odpowiednich tkanek i narządów.

Cały czas mamy do czynienia z zaledwie raczkującą nanotechnologią w medycynie. Era leków i metod diagnostycznych opartych na nanocząstkach i nanomateriałach  rozpoczęła się dopiero niedawno, dlatego większość projektów wciąż znajduje się na etapie testów. Mimo, że mijający rok przyniósł wiele przełomowych odkryć i osiągnięć, istnieje prawdopodobieństwo, iż rok 2014 będzie jeszcze bardziej owocny. 

Anna Kołodziejczak