Nanotehnologie - Doctor în sânge - Sănătate
Știri actuale în Süddeutsche Zeitung
Bord
economie
Munchen
Cultură
societate
Cunoştinţe
Nanotehnologie: doctor în sânge
- Nanomedicinele dezvoltă mici dispozitive care navighează în fluxul sanguin al pacientului.
- Acestea sunt concepute pentru a elibera medicamente acolo unde sunt necesare.
- Acest lucru ar putea fi deosebit de util în lupta împotriva tumorilor, cheagurilor de sânge sau a bolilor retiniene.
De Christian J. Meier
Ideea este veche, încă din 1966 în filmul de la Hollywood „The Fantastic Voyage”, un submarin mic și echipajul său au navigat prin venele unui pacient. Ar trebui să scoată cu laser un cheag de sânge inoperabil în creier. Noutatea este că, de câțiva ani, medicii și inginerii au dorit să implementeze astfel de viziuni, de exemplu într-un laborator de la clinica universitară din Erlangen. Nu arată exact ca un atelier pentru viziuni medicale, mai degrabă o cameră de tratament complet normală: canapea pacient, aparat masiv și monitoare pe care pot fi văzute raze X ale circulației sanguine.
Aici medicul Christoph Alexiou lucrează la creaturi minuscule care ar trebui să elimine bolile din interior. „Vreau să aduc acest lucru la pacient”, spune șeful secției de oncologie experimentală și nanomedicină. În câțiva ani, vrea să distrugă tumorile în testele clinice cu un fel de armă ghidată de mărimea unui virus. Echipa Erlangen vizează, de asemenea, arterioscleroza și sepsisul.
„Chirurgia va rămâne standardul de aur în tratamentul cancerului”, spune Alexiou. Cu toate acestea, tumorile nu pot fi întotdeauna îndepărtate cu un bisturiu, de exemplu pentru că se află în creier. Medicamentele împotriva cancerului injectate în sânge ajung în centrul bolii. Dar doar o mică parte din el. Cea mai mare parte este distribuită pe tot corpul. Prin urmare, chimioterapia are adesea efecte secundare masive.
Cercetătorii au construit un robot cu o dimensiune de doar câțiva milimetri, care ar trebui să călătorească în jurul corpului uman. Acolo putea transporta droguri sau arde celule tumorale.
Raport de Jan Schwenkenbecher, Stuttgart
Această abordare a puștii l-a deranjat pe pionierul medical Paul Ehrlich încă din 1907. El a vrut să „arunce gloanțe magice care să lovească doar agentul patogen”. Pe vremea aceea era un vis îndepărtat. Abia aproape 80 de ani mai târziu, inginerul american Eric Drexler a planificat roboți de mărimea globulelor albe din sânge. Un computer de bord ar trebui să controleze aceste „mașini de reparat celule” prin fluxul sanguin, să utilizeze senzori pentru a detecta focarele bolii, de exemplu un depozit într-un vas mic din creier și să le îndepărteze cu instrumente nu mai mari decât o moleculă. Acest proiect a rămas, de asemenea, o viziune.
„În loc să dotăm o mașină cu inteligență, folosim logica biologiei”.
Este adevărat că cercetătorii construiesc astăzi unități, senzori sau brațe de robot care sunt atât de mici încât pentru ei interiorul lichid al unei celule seamănă cu un lac de scăldat. Însă un computer de bord de câteva nanometri (milionimi de milimetru) care ar putea controla un dispozitiv complex format din astfel de componente nu este încă la vedere. Dar cercetătorii de astăzi nu se mai bazează oricum pe micșorarea roboților la dimensiuni nano. Acest lucru li se pare mult prea greoi.
„Vrem să reducem foarte mult complexitatea”, spune Volker Mailänder, medic și om de știință la Centrul Medical al Universității din Mainz și la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor de acolo. Aceasta este singura modalitate de a aduce tehnologia în practica clinică de zi cu zi în viitorul previzibil. Abordarea adoptată de echipa condusă de Mailänder și chimistul Katharina Landfester este totuși dificilă: cercetătorii umple mici capsule de plastic cu medicamentul împotriva cancerului și le injectează în organism. Nanoparticulele ar trebui apoi să găsească singure celulele canceroase.
Pentru a face acest lucru, echipa acoperă particulele cu așa-numiții anticorpi. Fiecare dintre aceste molecule seamănă cu o cheie. Blocarea potrivită este o proteină pe care doar celulele tumorale o transportă pe suprafața lor. Dacă cele două biomolecule se întâlnesc, se combină. Particula a ajuns la destinație, pătrunde în celula canceroasă și își eliberează încărcătura mortală acolo. Acest lucru amintește puțin de „sferele magice” ale lui Paul Ehrlich, deoarece nanoparticulele înoată pe lângă celulele sănătoase. Volker Mailänder rezumă tactica: „În loc să dotăm o mașină cu inteligență, particulele noastre folosesc logica biologiei”.
Medicamentul plouă pe cheagul de sânge
Este o idee captivantă, dar care poate fi implementată doar cu detalii minuțioase. De exemplu, echipa din Mainz a petrecut șase ani făcând cercetări pentru a depăși doar unul dintre numeroasele obstacole. O problemă a fost că proteinele din sânge acopereau nanoparticulele și, astfel, acopereau majoritatea anticorpilor - senzorii de cancer. Majoritatea particulelor ar rătăci fără scop prin corp. Cercetătorii au descoperit apoi că mulți dintre anticorpii în formă de Y nu erau atașați de particule în poziție verticală pe „tulpina” lor, ci mai degrabă erau așezați. Acestea ar ieși vertical din învelișul proteic. Doar cu câteva trucuri, oamenii de știință din Mainz au reușit să ridice majoritatea anticorpilor; acum proteinele nu mai interferează. Nanomedicinele vor fi testate în curând în experimente pe animale.
Dar nanomediciștii nu vor doar să lupte împotriva cancerului. Alte boli transmit, de asemenea, semnale care pot fi sesizate de nano-submarine simple. Cercetătorii care lucrează cu Donald Ingber de la Universitatea Harvard din Boston au dezvoltat un tip de senzor de congestie care arată constricții în vasele de sânge. Cheagurile de sânge provoacă accidente vasculare cerebrale, atacuri de cord sau embolii pulmonare. Există medicamente, așa-numitele trombolitice, care le pot dizolva. Dar aceste substanțe au uneori efecte secundare grave, cum ar fi hemoragia cerebrală. Așadar, medicii caută medicamente care funcționează direct pe dop. Cercetătorii din Boston au acoperit, așadar, nanoparticulele de acid lactic cu un agent trombolitic. Acest lucru creează bulgări largi care înoată prin sânge ca niște bile umede, relativ fragile de nisip.
O structură poate fi mare doar pentru a fi inclusă în domeniul nanotehnologiei, un nanometru este o miliardime de metru. În această ordine de mărime, proprietățile suprafeței câștigă importanță. Există deja acoperiri care se curăță singure (efect de lotus) sau, de exemplu, permit ketchup-ului să curgă mai bine.
Fluxul de sânge accelerează în zone înguste. Acest lucru atrage aglomerările de particule, acestea sunt frecate între degete ca niște bile de nisip. Nanoparticulele individuale plouă pe dop și ingredientele active își pot face treaba. Într-un experiment pe animale, echipa lui Ingber a arătat că dispozitivul mobil de măsurare a presiunii a dizolvat în mod specific cheagurile de sânge. Deoarece doar o miime din doza uzuală a fost suficientă pentru acest lucru, efectele secundare periculoase sunt mai puțin probabile. De aceea, nanomedicarea ar putea fi administrată la locul unei urgențe și nu în clinică fără prea multe îngrijorări, spune Ingber - poate un câștig de salvare a vieții în timp.
Comparativ cu un submarin real, nanoparticulele care își recunosc ținta nu sunt foarte independente. Fără conducere sau direcție, acestea sunt distribuite pe tot corpul și doar o mică parte este îndreptată către sursa bolii. Efectul crescut în comparație cu chimioterapia clasică se datorează faptului că fiecare particulă transportă o cantitate mare de ingredient activ: un camion de livrare întreg plin în loc de un singur pachet. „Credem că putem dubla doza pentru tumoră”, spune Mailänder. Dar chiar și atunci, doar câteva procente din doza totală își atinge obiectivul. Dacă medicii ar ști locația exactă a metastazelor cancerului sau a cheagurilor de sânge, aceștia ar fi în măsură să ofere o terapie chiar mai precisă. Cu toate acestea, atunci veți avea nevoie de o unitate și un controler pentru nano-agenți.
Dar cercetătorii lucrează deja la astfel de proiecte, de exemplu la Institutul Max Planck pentru sisteme inteligente (MPI-IS) din Stuttgart. Și ele se bazează pe exemplul naturii, deoarece nimeni nu a fost încă capabil să fabrice o elice clasică a navei în dimensiuni nano. Una dintre ideile lor a fost să imite midiile care vâslesc prin apă prin deschiderea și închiderea simetrică a cojilor și alunecarea prin apă între ele.
Pilula care scânteie din stomac este doar începutul. În scurt timp, roboții mici ar putea monitoriza și vindeca chiar și cele mai îndepărtate colțuri ale corpului uman.
De la Hubertus Breuer
De fapt, oamenii de știință au reușit să construiască un astfel de plutitor microscopic. Din păcate, nu alunecă în majoritatea lichidelor - pentru el, apa sau sângele sunt la fel de dure ca mierea. Prin închidere ar face un pas înainte, prin deschidere ar lua unul înapoi. O posibilă utilizare a mediilor speciale este rezervată, de exemplu în lichidul sinovial. Pentru că aici funcționează un truc: cercetătorii controlează cojile midiilor astfel încât să se deschidă rapid și să se închidă încet. Acest lucru face lichidul mai subțire.
Ca alternativă la midii, cercetătorii folosesc anumite bacterii ca modele. Acestea se înșurubează prin lichide cu un flagel de tip tirbușon. Tirbușoanele mici pot fi fabricate folosind nanotehnologie prin aburirea unui disc rotativ cu atomi. Un magnet rotește șuruburile. Tian Qiu de la MPI-IS a descoperit că dimensiunea contează cu adevărat. Fizicianul a vrut să conducă un astfel de vehicul prin globul ocular al unui porc mort.
Fundalul: Când tratează degenerescența maculară, medicii doresc să țintească retina cu medicamente cât mai precis posibil. Prima versiune a micro-înotătorului a fost prinsă într-o rețea de fire proteice care a pătruns în apa din globul ocular. „A trebuit să facem înotătorii și mai mici, astfel încât să poată aluneca prin plasă”, spune Qiu. Noii înotători s-au îndreptat spre retină și l-au întâlnit. Experimentul este doar o dovadă că tehnologia ar putea funcționa în principiu. În plus, tehnologia complexă de fabricație interzice deja utilizarea pe scară largă în clinici.
Valoarea pH-ului crește în vecinătatea tumorilor. Aceasta poate fi utilizată pentru navigație
Șurubul își extrage energia din exterior - din magnetul care îl transformă. Alți cercetători încearcă să-și facă energia nanosubmarinelor autosuficientă. „Micro-rachetele” își extrag combustibilul direct din lichidul prin care înoată. Un tub conic este căptușit cu un catalizator care transformă un compus chimic din mediu. Bulele rezultate curg din capătul larg și propulsează racheta cu recul. Cel mai mic proiectil de acest gen este la fel de mic ca un virus.
Similar bacteriilor, astfel de nanosubmarine ar trebui să se orienteze către semnale din mediul lor: gravitația, de exemplu, sau luminozitatea crescândă. Bolile transmit și mesaje chimice; valoarea pH-ului crește în apropierea tumorilor, de exemplu. Un câmp electric este creat pe oase proaspăt sparte, care atrage nanoparticulele încărcate electric, așa cum s-a arătat în eprubetă.
Medicii folosesc o radiografie a vaselor de sânge ca un fel de hartă a corpului
O astfel de cercetare de bază este încă departe de a fi utilizată la pacienți. O altă abordare la care lucrează Christoph Alexiou din Erlangen este poate puțin mai aproape de practică. În laboratorul de chimie al departamentului său, un membru al echipei arată cât de ușor pot fi direcționate nanoparticulele. Ține în mână o eprubetă care conține două straturi de lichid: unul roșu ruginiu pe fund și unul transparent deasupra. Cercetătorul ține un magnet în partea inferioară și îl ghidează de-a lungul peretelui de sticlă. Lichidul roșu se strecoară pe perete. Sunt nanoparticule magnetice care urmează câmpul magnetic.
Astfel de particule sunt deja utilizate ca substanțe de contrast în căutarea metastazelor. Cu toate acestea, echipa lui Alexiou vrea să o folosească ca vehicul pentru medicamentele împotriva cancerului. Lângă patul pacientului din laboratorul de alături, pe care s-au efectuat experimente doar pe iepuri și donații de corp, există un electromagnet reglabil: acționare și direcție pentru nanosubmarinele Alexious. „Injectăm particulele aproape de tumoare”, explică medicul. Apoi, cercetătorii folosesc forța electromagnetului pentru a-i trage în vasele tumorii. Acest lucru se datorează faptului că aceștia au pori ceva mai mari în pereți decât venele normale. Particulele alunecă prin ele în țesutul proliferant și își aruncă încărcătura mortală.
Mai multe mașini chirurgicale noi sunt pe cale să fie utilizate la oameni. Puteți opera într-un spațiu limitat și cu mai multe brațe în același timp. Dar ele aduc și beneficii pentru pacienți?
De la Boris Hänßler
Datorită direcției, mai mult de 60% din ingredientul activ administrat ajunge în tumoare, așa cum au arătat testele pe iepuri. Cancerul a dispărut la aproape o treime din animale după opt săptămâni. Doza de medicament pentru cancer a fost de 20 de ori mai mică decât în cazul terapiei normale.
Pentru a îmbunătăți ghidarea rutelor, cercetătorii fac o imagine cu raze X a vaselor de sânge, pe care le folosesc ca o hartă rutieră. „Folosim un cateter pentru a aduce particulele într-o locație ideală pentru a le continua cu magnetul”, explică Alexiou. În acest fel, vor să evite particulele care iau o întorsătură greșită și lipsesc tumora. În plus, un nou braț robot trebuie să ghideze magnetul cu o precizie mai mare. „Astfel sperăm să putem concentra particulele și mai puternic în tumoră”, spune Alexiou. O întrebare deschisă este modul în care nanoparticulele pot fi direcționate în tumori adânci în corp. Deoarece câmpul magnetic slăbește odată cu distanța față de magnet. Prin variația formei magnetului, cercetătorii vor să concentreze mai mult câmpul astfel încât să pătrundă mai adânc. În trei ani, oamenii de știință speră să efectueze primele teste clinice pe pacienți.
Deci „călătoria fantastică” prin corpul uman ar putea avea loc în curând. Cercetătorii nu cred că îngrijorările cu privire la toxicitatea nanoparticulelor o împiedică. "Nanoparticulele de oxid de fier sunt bine tolerate", spune Alexiou. Corpul folosește substanța. De asemenea, Volker Mailänder asigură: „Producem particulele din substanțe pe care corpul le poate excreta”.
La urma urmei, terapia nu ar trebui să se încheie așa cum s-a întâmplat în filmul de la Hollywood menționat la început. În acest sens, chirurgii submarin au lăsat accidental un membru al echipajului și submarinul micșorat în corpul pacientului.