Нанотехнологиите позволят атакуване на строго определени клетки, без да засягат здравите тъкани
(снимка: CC0 Public Domain)
Наночастици с дебелина 1000 пъти по-малка от човешки косъм, умело включени в биологичен камуфлаж, разкриват нови възможности за лечение на рак със значително по-малко странични ефекти.
В продължение на милиарди години природата е усъвършенствала различни начини за движение на живите клетки в околната среда и за безопасно предаване на вещества между тях. Сега учени имитират в лабораторни условия някои от тези процеси, за да създадат нови „наномашини”, които биха могли да подпомогнат третирането на ракови заболявания като левкемия и други, става ясно от публикация на Horizon – The EU Research & Innovation Magazine с автор Ричард Грей.
Проектът „Троянски кон”
Един от подходите черпи вдъхновение от мита за Троянската война и по-конкретно от събитията, свързани с Троянския кон. Това е проект под името TrojaNanoHorse с главен ръководител професор Валентина Кауда – инженер по химия в Политехническия университет в Торино.
Проектът се базира на създаването на кристали от цинков оксид с размери около 20 нм, които имат потенциала да унищожават ракови клетки чрез процес, започващ от вътрешността им. Тези частици всъщност са около 6000 пъти по-тънки от човешки косъм, могат да бъдат токсични за здрави клетки в човешкото тяло, но могат и да предизвикват имунна реакция, която да ги предпазва от развитието на тумор.
Описаните структури имат защитна обвивка, която им позволява да „заобиколят” основните участници в защитните механизми на организма – имунната система и клетъчните мембрани – и да навлязат лесно в туморните клетки. Именно този процес дава основание проектът да се определя като Троянския кон. Враговете на изобретателите му (имунитетът и клетъчните мембрани) биват „заблудени” лесно и частиците навлизат безпрепятствено в Троя (туморните клетки).
Основният компонент на обвивките са липидните молекули. От тези вещества са изградени и всички външни мембрани на клетките в живата природа. Те имат изключително голяма роля за изолирането им от околната среда, но също така и за комуникацията им с нея. Известен е процес, при който се сформират т.нар. липидни везикули, съдържащи полезна химична информация за редица процеси, а също така и отпадни продукти от метаболизма на клетките.
Професор Кауда и нейният екип са се опитали да копират този процес чрез обвиване на наночастиците в мехурчета (везикули), продуцирани от клетки в лабораторни условия. Това е от значение за оцеляването и успешното придвижване на частиците в човешкия организъм. Повърхността на мехурчетата може да бъде снабдена с антитела срещу специфични туморни клетки и по този начин да се ангажира единствено с тях – с клетки, които трябва да бъдат унищожени. Диаметърът на обвивките е между 100 и 200 нм, което означава, че те са около 1000 пъти по-тънки от човешки косъм.
Веднъж щом везикулите срещнат съответните клетки и се свържат с тяхната повърхност, обвивките им се сливат с клетъчните мембрани и се стига до освобождаване на токсични вещества вътре в клетките. Благодарение на това, че обвивките са взети от клетки на самия пациент, може да се постигне индивидуализирано лечение, което да се скрие от имунната система и да успее да премахне туморни изменения, смята проф. Кауда.
Екипът, работещ по проекта, вече е тествал метода в лабораторни условия срещу левкемия и рак на шията. Ако се окаже успешен, описаният наномедицински подход би могъл да има сериозни предимства спрямо класическата химиотерапия. Нанотехнологиите позволят атакуване на строго определени клетки, оставяйки здравите тъкани незасегнати, а по този начин се намаляват в значителна степен неблагоприятните странични ефекти от лечението.
Методът има обаче един сериозен недостатък. Засега се разчита основно на случайното прикрепване към туморните клетки в желаната област на тялото – след въвеждането на наночастиците в организма те циркулират свободно в него посредством кръвообращението и нямат зададена крайна дестинация.
Наномашини
Друг екип от изследователи обаче работи върху нано- и микромашини, които биха могли активно да подобрят проекта чрез строго насочване на лечението в тази област от тялото, в която това е необходимо. Д-р Лариса Флореа – специалист по материалознание в Trinity College в Дъблин, Ирландия, ръководи проект под името ChemLife за създаване на миниатюрни везикули, които могат да се движат в течност от само себе си.
В хода на развитието на проекта се правят опити за ревностно подражаване на вид движение в природата, известно като хемотаксис. То се извършва от някои микроорганизми, като им позволява да се придвижват в различно солени разтвори, както в кисела, така и в алкална среда.
Още една група изследователи, този път в Щатите, са доказали, че наночастиците могат да бъдат много точно направлявани през лабиринт от пътища. От своя страна, Д-р Флореа и нейните колеги са намерили начин – чрез използване на светлина, да разширят възможностите за висока прецизност на това движение.
Учените са сътворили частици-капки, обединяващи високочувствителни към светлината молекули и съединения, известни като сърфактанти – вещества, намаляващи повърхностното напрежение. Те се срещат в редица детергенти, но и в живите организми (например в белия дроб на човека).
Когато се изложат на светлина, фоточувствителните молекули променят формата си и съответно повърхностното напрежение от всяка една страна на частицата-капка също се изменя. Това позволява на молекулите в нея да се движат от една точка в друга и по този начин да придвижват и самата капка.
Доказано е, че частиците могат да бъдат насочвани с изключителна точност и в трите измерения и да развиват скорост до 10,4 мм в секунда. Д-р Флореа заявява, че такава скорост при такива размери определено означава, че се постига бързина, по-голяма от тази на най-добрите плувци в света.
Авторите на проекта също така са демонстрирали, че иновативните структури могат да пренасят „багаж”, доставяйки го от една клетка на друга и така да предизвикват химични реакции. Това свойство може да се използва в медицината за доставяне на лекарства или други средства за лечение на специфични клетки в тялото.
Екипът е проучил и използването на електрически ток за движение на структурите в организма, тъй като все още възможностите на светлината за тази цел при човека са под въпрос.
Плуващи микромашини
Работи и се върху микромашини, които могат да плуват или пълзят през течности, подобно на миниатюрни бактерии. Използвайки високо прецизни техники, свързани с 3D-принтиране, изследователите са успели да създадат специални хидрогелни структури с размер около няколко микрометра. Те могат да се свиват и разширяват и по този начин да се задвижват напред.
Д-р Флореа оприличава тези структури на цвете, което се отваря и затваря в отговор на различни стимули, например промяна в pH на средата, промяна в температурата или светлината. Това е възможно, тъй като хидрогеловете могат да поглъщат и освобождават вода при дадена промяна в околната среда. Засега реакциите при промяна в температурата и светлината не са практически осъществими, но това се очаква да се случи в близко бъдеще, казва ръководителят на проекта.
Описаните хидрогелове се използват от екипа и за създаване на структури с подобие на флагелум (камшиче) – органел при някои микроорганизми, служещ за тяхното придвижване. Основната цел на тези приспособления е микромашините да извършват движения, необходими за доставянето на лекарства от едно място към друго.
Възможно е микромашините да се приложат и за подобряване на редица производствени реакции или при създаване на „микрохващачи”, които биха могли да се контролират от разстояние, за да се поддържат деликатни елементи като човешките клетки без риск от тяхното увреждане.