Nanomedycyna - atomowa rewolucja

Wyobraźmy sobie ludzi żyjących 150 lat lub dłużej, którym udało się zachować młodzieńczą urodę i witalność. Są szczupli, pełni energii, wciąż sprawni intelektualnie. Trawiące ich choroby zostały zduszone w zarodku, a proces starzenia uległ znacznemu spowolnieniu – wszystko dzięki robotom i transporterom o wielkości miliardowych części metra, wprowadzonym do krwiobiegu.

Brzmi nieprawdopodobnie? Być może, niemniej prace nad tym projektem są w zaawansowanym stadium. Pierwsze efekty mają być widoczne już około 2030 roku.

Czy nanocząsteczki są podejrzanym wytworem czarnej magii? Nic z tych rzeczy, one znajdują się dosłownie wszędzie! To rozmaicie zorganizowane układy wielu molekuł chemicznych, posiadających właściwości lecznicze, co sprawia, że znajdują zastosowanie w licznych gałęziach przemysłu.

Międzynarodowe koncerny farmaceutyczne inwestują w nie krocie, dlatego nieustannie przybywa projektów ze zbawiennymi drobinkami w rolach głównych. Trzy lata temu testowanych klinicznie albo zatwierdzonych do użytku było niemal 250 bazujących na nich lekarstw, dziś ta liczba jest z pewnością znacznie wyższa. A przecież nanocząsteczki to nie tylko leki, lecz również farby, tekstylia, kosmetyki, sprzęt AGD.

Co więcej, w krajach uprzemysłowionych każdy mieszkaniec wraz z pokarmem przyjmuje – nic o tym nie widząc – co najmniej ­bilion tych niewielkich cząstek dziennie. W jaki sposób mogą one poprawić nasze życie? I czy ich stosowanie aby na pewno jest bezpieczne?

Nanokosmos można zdefiniować jako wszystko to, co jest mierzone w skali nanometrowej i jeszcze mniejszej (jeden nanometr stanowi miliardową część metra). To niedostępne dla zmysłów królestwo atomów i molekuł, czyli podstawa wszelkiej materii.

Omawiane obiekty są tak niewiarygodnie małe, że ich rzeczywistego wyglądu nawet nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić. W porównaniu z nimi najdrobniejsze znane organizmy, takie jak wirusy czy bakterie, wydają się istnymi kolosami.

Aby móc dostrzec gołym okiem pojedynczy atom zawarty w kropli wody, najpierw trzeba by tę kroplę powiększyć do rozmiaru... 24 kilometrów.

Właśnie w takiej miniaturowej skali funkcjonuje nano­technologia. Ale na czym ona właściwie polega?

Najprościej mówiąc, chodzi o budowanie i modyfikowanie układów molekuł na absolutnie fundamentalnym poziomie. W tej „zabawie” klockami są pojedyncze atomy.

To nowość, gdyż do tej pory badacze zajmowali się raczej całymi oceanami cząsteczek, bo – wbrew pozorom – taka ich ilość mieści się w próbówkach.

Teraz, przemieszczając poszczególne składniki materii, mogą tworzyć konfiguracje, jakie nie istnieją w przyrodzie. Brzmi to jak alchemia, lecz w rzeczywistości stanowi po prostu ostateczną konsekwencję miniaturyzacji, rewolucjonizującej technikę XXI wieku.

Jeśli chodzi o medycynę, rozwiązania proponowane przez nanotechnologię są przede wszystkim nadzieją na zwycięstwo w długotrwałej i nierównej wojnie z nowo­tworami. To właśnie w tej dziedzinie trwają obecnie najbardziej intensywne prace.

Duża część prowadzonych testów dotyczy szukania najlepszych metod precyzyjnego dostarczania leków do chorych komórek, co pozwoliłoby na uniknięcie wyniszczającej ciało chemioterapii.

Jak tłumaczy profesor Robert Langer z Wydziału Inżynierii Chemicznej w Instytucie Technologicznym w Massachusetts (MIT): – Jednym z wyzwań w opracowywaniu nanocząstek mających skutecznie przenosić leki jest zaprojektowanie ich w taki sposób, aby mogły spełniać dwie najważniejsze funkcje: uniknąć typowej reakcji immunologicznej organizmu oraz dotrzeć do miejsc przeznaczenia.

I właśnie na tym polu zanotowano już pierwsze sukcesy. Zespół badaczy pod kierunkiem profesora Michaela Sailora z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego stworzył maleńkie krzemowe płatki – nośniki, które wstrzyknięte do krwi lokalizują komórki nowotworowe i dostarczają do nich leki.

Gdy spełnią swoje zadanie, ulegają biodegradacji, a nieszkodliwy kwas krzemowy zostaje wydalony. Przypomina to zlikwidowanie groźnego terrorysty za pomocą precyzyjnej akcji oddziałów specjalnych, podczas gdy chemio- i radioterapia są jak nalot dywanowy, w wyniku którego najbardziej cierpią cywile.

Każdy z krzemowych transporterów tego typu ma rozmiary 100 nanometrów, jest więc na tyle mały, by móc przeniknąć przez błonę komórkową do cytoplazmy. Właściwe rozpoznanie wroga umożliwiają przyczepione do nanocząsteczki białkowe receptory. Metoda ta sprawdziła się w trakcie testów na myszach. Prognozy są więc optymistyczne.

Z kolei naukowcy z Berlina opracowali metodę unicestwiania raka przy użyciu rozgrzanych nanocząsteczek tlenku żelaza. Tego typu terapia dotyczyłaby głównie guzów mózgu.

Nanocząsteczki, dwadzieścia razy mniejsze od czerwonych krwinek, dokonują „desantu” bezpośrednio na tkankę nowotworową, gdzie są poddawane działaniu pola magnetycznego o zmiennej częstotliwości. Wprawia je to w drgania, wskutek czego powstaje ciepło.

W temperaturze 80°C komórki rakowe umierają lub stają się wrażliwe na inną formę terapii. Andreas Jordan z berlińskiej firmy MagForce Nanotechnologies komentuje: – Za pomocą tej techniki możemy atakować guzy od wewnątrz.

Otaczająca je zdrowa tkanka nie ulega uszkodzeniu, ponieważ nanocząsteczki z powodu swej struktury pozostają w miejscu aplikacji. Stosowanie tej metody jest już dozwolone w krajach Unii Europejskiej.

Maleńkie, niewykrywalne przez system odpornościowy jednostki zapewne już wkrótce będą patrolować nasz organizm, aby na bieżąco wykrywać i eliminować każdego potencjalnego wroga.

Według naukowców przyszłość będzie należeć do platform wielofunkcyjnych – instrumentów nanometrowych, zarówno stawiających trafne diagnozy, jak i podejmujących zdecydowane działania terapeutyczne. Lecz nanoleki i nanoroboty to nie wszystko. Interesującym projektem są również... nanofabryki, które prawdopodobnie przyczynią się do wygrania walki z rakiem.

Naukowcy odkryli bowiem, iż w jego leczeniu skuteczne mogą okazać się określone białka. Problem w tym, że jeśli zostaną one podane pacjentowi w sposób standardowy, jego organizm rozłoży je, zanim dotrą do celu.

W Korei Południowej dzieciom podaje się jogurty z nanocząsteczkami... platyny, mającymi ułatwiać rozwiązywanie skomplikowanych obliczeń z przedmiotów ścisłych. Zdobyczy nanotechnologii używa się również do obniżenia zawartości tłuszczów i cukru bez zmieniania smaku potraw

---

Dlatego badacze z MIT opracowali samoskładające się nanowytwórnie, które są w stanie wyprodukować konkretne proteiny dopiero po dotarciu w dany obszar ciała.

Zawierają one m.in. rybosomy, które biorą udział w biosyntezie białek. Tego typu niekonwencjonalna fabryka rozpoczynałaby swoją działalność pod wpływem naświetlania ultrafioletem.

Na wojnę z nowotworami wysłano również odkryty niedawno supermateriał: grafen. Substancję tę okrzyknięto już panaceum XXI wieku, nic zatem dziwnego, że upatruje się w niej nadziei dla nanoonkologii.

Jak utrzymuje profesor Ewa Sawosz-Chwalibóg z Zakładu Nanobiotechnologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego, grafen nie tylko niszczy komórki rakowe, ale może być także doskonałym nośnikiem innych substancji.

Co więcej, naukowcom z Uniwersytetu w Manchesterze udało się go wykorzystać do zneutralizowania chorych komórek, bez zbędnego naruszania tych zdrowych.

Ale nadzieje pokładane w najmodniejszym dziś materiale nie ograniczają się jedynie do walki z nowotworami. Ponieważ węgiel – którego grafen jest alotropową odmianą – to pierwiastek w miarę przyjazny i mało toksyczny dla tkanki ludzkiej, oferuje badaczom możliwość tworzenia implantów, które nie byłyby tak łatwo odrzucane przez organizm.

Niezmiernie kusząca wydaje się również wizja budowania przy współudziale grafenu narządów, kości i tkanek.

Może on posłużyć również do produkcji mocniejszych, bardziej elastycznych i lżejszych protez. A wszystko dlatego, że grafen jest świetnym przewodnikiem ciepła i prądu. W przyszłości z pewnością ułatwi to konstruowanie elektrod przetwarzających sygnały z mózgu na odpowiedni ruch kończyn.

Co odważniejsi prorokują, że to właśnie dzięki temu materiałowi dojdzie do opracowania interfejsu mózg–maszyna, w efekcie zaś – do połączenia naszych zdolności intelektualnych z mocą obliczeniową komputera!

Jeśli wierzyć ekspertom, w walce z najgroźniejszymi chorobami pomoże nam także kuchnia przyszłości. Inteligentne obiady będą nie tylko tańsze i smaczniejsze, ale przede wszystkim – same zadbają o nasze zdrowie.

Na pierwszy rzut oka wydaje się to naturalną konsekwencją współczesnych trendów. Przecież już dzisiaj sięgamy po napoje z żywymi kulturami bakterii, witaminowe soki, odtłuszczone mleko albo margaryny, których zadaniem jest obniżanie poziomu cholesterolu i usprawnianie pracy mózgu.

Mało tego, w Korei Południowej dzieciom podaje się jogurty z nanocząsteczkami... platyny, mającymi ułatwiać rozwiązywanie skomplikowanych obliczeń z przedmiotów ścisłych. Zdobyczy nanotechnologii używa się również do obniżenia zawartości tłuszczów i cukru bez zmieniania smaku potraw. Jednak uczeni w swoich eksperymentach idą o wiele dalej.

Chcą stworzyć żywność zawierającą w sobie takie nanocząstki, które monitorowałyby stan naszego zdrowia od środka i w razie kłopotów natychmiast reagowały.

Te specyficzne „jednostki prewencyjne” będą mierzyły poziom cukru, cholesterolu, częstotliwość uderzeń serca oraz aktywność elektryczną mózgu, chroniąc nas nie tylko przed nowotworami, lecz także przed nadciśnieniem czy innymi chorobami układu krążenia.

Czyżby nadchodziła era długowieczności, zdrowia i zgrabnych sylwetek? Najpewniej tak, lecz na razie musimy uzbroić się w cierpliwość. Zanim innowacyjne metody zaczną być stosowane u ludzi, wymagają wszechstronnych badań laboratoryjnych oraz testów na zwierzętach. A ten proces może potrwać nawet kilkanaście lat.

W dodatku okres wdrażania nanopomysłów – za sprawą coraz bardziej wyśrubowanych wymagań co do bezpieczeństwa i skuteczności nowych metod leczenia – wciąż się wydłuża. To zrozumiałe, ponieważ jeszcze do końca nie wiadomo, jaki może być dalekosiężny wpływ nanocząsteczek na żywe komórki.

W pochodzącym z ubiegłego roku raporcie przygotowanym dla brytyjskiego parlamentu naukowcy stwierdzili, że bezpieczeństwo nanomateriałów nie zostało jeszcze wystarczająco zbadane. Tym bardziej że już wkrótce staną się one powszechnie dostępne.

Rozmiar oraz mobilność nanocząsteczek sprawiają, iż mogą one bez problemu pokonywać bariery w organizmie i odkładać się w mózgu lub innych narządach, prowadząc – prawdopodobnie – do ich uszkodzenia. Potrafią także przenikać do jąder komórek oraz dokonywać tam zmian, których mechanizmów nadal nie znamy.

Problem może stanowić również ich wysoka reaktywność – nie wiemy, jakie procesy chemiczne będą wywoływać w ludzkich ciałach albo czy nie zostaną nośnikami dla substancji toksycznych, które dzięki temu wedrą się do naszych komórek. Mimo wielu pytań, na które wciąż nie znamy odpowiedzi, naukowcy są pełni optymizmu.

– Do tej pory słyszeliśmy mnóstwo głosów zachwytu na temat nanomedycyny, ale wizje przełomu się nie spełniły. Teraz jednak naprawdę coś się dzieje. Koncerny farmaceutyczne nabrały zaufania do tej metody. W nadchodzących latach coraz więcej lekarstw z wykorzystaniem nanocząsteczek znajdzie się w fazie testów klinicznych.

To niezwykle ekscytujące – prof. Dan Peer, prowadzący badania nad nanotechnologiami w laboratorium Uniwersytetu w Tel Awiwie, nie kryje entuzjazmu. Kto wie, być może już niektórzy z nas staną się pierwszymi przedstawicielami nowej odmiany człowieka, którego ulepszyła nanomedycyna?

Powszechna miniaturyzacja nie ominęła medycyny. Na całym świecie inżynierowie i lekarze współpracują, by stworzyć mikroskopijnych rozmiarów roboty oraz lekarstwa, które mają uwolnić ludzkość od raka i wielu innych schorzeń.

Dotychczasowe wyniki badań nad zastosowaniem nanotechnologii w onkologii są obiecujące. Dużo mówi się także o jej potencjale w leczeniu chorób układu krążenia oraz kamicy nerkowej. Czy przyszłość medycyny będzie dla nas... niewidoczna? „Zobaczymy” już wkrótce.

Z nanobotami – czyli mikroskopijnymi robotami (po prawej) – naukowcy wiążą dziś duże nadzieje. Te maszyny, wiele razy mniejsze od średnicy włosa, będą w stanie swobodnie przemieszczać się wewnątrz organizmu, niszcząc komórki nowotworowe, „czyszcząc” naczynia krwionośne z blaszki miażdżycowej, a nawet modyfikując DNA!

Lekarze chcą wykorzystać nanoroboty jako „oddział specjalny” do walki z zabójcą numer jeden – miażdżycą. Niczym komandosi miałyby one docierać do miejsca gromadzenia się blaszki miażdżycowej oraz rozbijać złogi, przywracając przepływ krwi i zmniejszając ryzyko zawału.

Z kolei urolodzy zamierzają „uzbroić” miniaturowe maszyny w lasery, które bezboleśnie rozbijałyby kamienie w nerkach.

Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla uformowanych na podobieństwo plastra miodu. Mimo że to najcieńszy z możliwych materiałów (posiada tylko dwa wymiary), jest niezwykle elastyczny, a przy tym sto razy bardziej wytrzymały niż stal – warstwa o grubości folii bez problemu utrzymałaby na swej powierzchni... ciężarówkę!

Skąd bierze się grafen? Aby go wyprodukować, wystarczy ołówek i biurowa taśma klejąca, za pomocą której z grafitu zdejmuje się cienkie warstewki substancji. Mniej więcej w taki właśnie sposób w 2004 roku wyizolowali ten materiał młodzi naukowcy – Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow – za co sześć lat później zostali uhonorowani Nagrodą Nobla.

Jednak o wiele bardziej opłacalny sposób na uzyskiwanie dużych arkuszy „cudownego węgla” opracowali w 2011 roku naukowcy warszawskiego ITME pod kierownictwem dr. Włodzimierza Strupińskiego. Ich metoda zyskała uznanie na całym świecie, wywołując w Polsce prawdziwą „grafenową gorączkę”.

Wygląda na to, że już nic nie powstrzyma ekspansji tego materiału w naszym życiu. Pojawiają się jednak pierwsze sygnały ostrzegawcze. Zespół uczonych z amerykańskiego Uniwersytetu Browna uważa, że niezwykle mocne nanocząsteczki mogą być toksyczne dla ludzkich komórek.

Inna grupa naukowców, z Uniwersytetu w Kalifornii, przestrzega, że ewentualny wyciek grafenu byłby dużym zagrożeniem dla środowiska, a skażenie rozprzestrzeniałoby się z zabójczą prędkością.

Tak naprawdę wszystko zaczęło się w 1990 roku od branżowego żartu. Grupa naukowców, posługując się specjalną igłą skaningowego mikroskopu tunelowego, na powierzchni kryształu niklu ułożyła 35 atomów ksenonu w taki sposób, że utworzyły one napis IBM.

Każda z liter składających się na ten skrótowiec miała dokładnie 5 atomów wysokości (dla porównania: ludzki włos ma średnicę... 28 milionów atomów). Gdy rok po tym spektakularnym wyczynie skonstruowano nanorurki węglowe, można było mówić o narodzinach nanomedycyny.

Już niedługo nanotechnologia opanuje także naszą kuchnię. Jednym z jej głównych celów będzie walka z epidemią otyłości, której zdrowotne i społeczne koszty są ogromne. Lecz bynajmniej nie chodzi tu o spożywanie miniaturowych porcji lub gotowanie za pomocą mikroskopu.

Naukowcy z brytyjskiego Institute of Food Research testują już żywność, która będzie przechodzić przez nasz układ pokarmowy z mniejszą prędkością, przez co szybciej pojawi się uczucie sytości. Jedzenie nie stanie się przy tym nudne czy mdłe.

Dzięki nano­kapsułkom będzie można dowolnie eksperymentować ze smakiem, zapachem i kolorem potraw. Zanim znajdziemy podobne produkty na sklepowych półkach w Europie, upłynie jednak trochę czasu. Musimy najpierw dokładnie zbadać, jak nasze organizmy zareagują na nieobecne w naturalnym środowisku nanocząstki.Sprawdź, o czym jeszcze można przeczytać w nowym numerze "Sekrety Medycyny 5/2016"