Autor: Michał Fiedorowicz, Adam Dziki

 

Mała rzecz, a leczy

Od dostarczania leków skierowanych do konkretnych komórek przez lepszą diagnostykę po medycynę regeneracyjną dla pacjentów z niewydolnością lub ciężkimi uszkodzeniami narządów – nanomedycyna otwiera wiele nowych możliwości w zakresie diagnostyki medycznej i terapii.

Rak trzustki diagnozowany jest codziennie u ponad 1250 osób na całym świecie, a ok. 1180 z tych pacjentów umiera. Jego ofiarą padli m.in. twórca Apple’a Steve Jobs czy aktorka Anna Przybylska. Ten nowotwór ma najniższy wskaźnik przeżywalności spośród wszystkich nowotworów; z szacunków WHO wynika, że niebawem będzie drugą przyczyną zgonów z powodu chorób nowotworowych. Dlaczego tak się dzieje? Po pierwsze, ten rak w swoim początkowym stadium często nie daje żadnych objawów albo są one nieoczywiste, takie jak ból brzucha, problemy z trawieniem, utrata masy ciała. Może to znacząco utrudniać odpowiednio wczesne postawienie diagnozy. Po drugie, nowotwór ten jest wyjątkowo oporny na leczenie.

Z pomocą chorym może jednak przyjść nanomedycyna. „Taka tkanka nowotworowa guza jest (…) w pewnym sensie «dziurawa». Jej zwiększona przepuszczalność naczyniowa to tzw. efekt EPR (ang. enhanced permeability and retention effect). Odpowiednio zaprojektowane nanomateriały węglowe wraz z substancjami leczniczymi bez problemu mogą przedostawać się przez ścianki tkanki guza do komórek zmienionych chorobowo i je niszczyć” – wyjaśnia w rozmowie z PAP dr inż. Maciej Serda z Uniwersytetu Śląskiego. Badacz ten w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki testuje glikofulereny jako potencjalne nośniki substancji leczniczych. „Są to alotropowe odmiany węgla stanowiące nie tylko interesujący nośnik substancji leczniczych, lecz również mogące oddziaływać z celami biologicznymi. Naświetlone wiązką o odpowiedniej długości fali, uwalniają reaktywne formy tlenu, które zabijają komórki nowotworowe, nie uszkadzając przy tym komórek zdrowych. Do tego dobrze rozpuszczają się w wodzie, co ma kluczowe znaczenie w kontekście leków” – tłumaczył.

Od Feynmana do nanoleków

„Jak zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannica na łebku od szpilki?” – tym pytaniem słynny amerykański fizyk, zdobywca Nagrody Nobla Richard P. Feynman rozpoczął w 1959 roku wykład There’s Plenty of Room at the Bottom [Tam na dole jest jeszcze dużo miejsca]. Feynman przedstawił w nim koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym, czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Ustanowił też dwie nagrody (zwane Nagrodami Feynmana) – za wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku nie większym niż 1/64 cala. Pierwsza z nich została zdobyta już w 1960 roku przez 35-letniego inżyniera Williama H. McLellana, który stworzył silnik ważący 250 mikrogramów o mocy 1 mW. Jednak prawdziwy rozwój nanotechnologii przypadł dopiero na lata 80. i 90. XX wieku ‒ zaczęto wtedy m.in. produkcję ultracienkich warstw kryształów, odkryto też fulereny. Obecnie nanotechnologię wykorzystuje się w wielu dziedzinach nauki i przemysłu, od elektroniki przez optykę po medycynę – tzw. nanomedycyna otwiera wiele nowych możliwości w zakresie diagnostyki medycznej i terapii: od projektowania specjalnych nośników leków, które poprawiają ich dostarczanie do różnych części organizmu, przez opracowanie nowych metod diagnostyki i obrazowania medycznego, wytwarzanie biomateriałów do implantów i medycyny regeneracyjnej, po pokrywanie antybakteryjną nanowarstwą, np. srebra, aparatury medycznej, by ograniczyć poziom zakażeń w szpitalach.

Już cztery lata temu globalny rynek nanomedycyny szacowany był na ok. 112 miliardów dolarów, a do roku 2023 ma wzrosnąć do ok. 260 miliardów – to dane z raportu opracowanego przez Allied Market Research. Z roku na rok zwiększają się inwestycje na badania nad nanotechnologiami; w USA badania nanomedyczne są finansowane m.in. przez National Institutes of Health. Unia Europejska w projekty w projekty badawcze związane z nanomedycyną do 2010 roku zainwestowała ok. 265 mln euro. Z kolei program „Horyzont 2020” (którego budżet na lata 2014–2020 wyniósł 80 mld euro) koncentrował się na praktycznym wykorzystaniu wyników projektów z dziedziny nanomedycyny, pomagając w przenoszeniu innowacji z laboratorium do systemu opieki zdrowotnej. W Polsce granty na takie badania finansuje m.in. Narodowe Centrum Nauki i Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Nanolekiem w nowotwór

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów badań nanomedycznych jest zwiększenie przyswajalności substancji leczniczych, które mają problem z dotarciem do miejsca przeznaczenia ‒ np. do komórek nowotworowych. „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” ‒ tłumaczy profesor Robert Langer z Wydziału Inżynierii Chemicznej w Instytucie Technologicznym w Massachusetts (MIT). W przypadku chemioterapeutyków najważniejszą kwestią jest takie dostarczanie toksycznych leków, aby docierały one bezpośrednio do komórek nowotworowych, unikając komórek zdrowych, które mogłyby uszkodzić.

Zespół badaczy pod kierunkiem prof. Deana Ho z Department of Biomedical Engineering Northwestern University w Evanston oraz prof. Edwarda K. Chowa z George Williams Hooper Foundation University of California w San Francisco opracowali metodę dostarczania leków do guza za pomocą nanodiamentów. Nanodiamenty o wymiarach od 2 do 8 nanometrów średnicy mają na powierzchni grupy funkcyjne, które pozwalają na przyłączenie wielu różnych substancji, w tym chemioterapeutyków. Jednym z pierwszych z powodzeniem testowanych leków była doksorubicyna, popularny chemioterapeutyk (z grupy antracyklin o działaniu cytostatycznym). Powstały kompleks ND-DOX testowano na modelach zwierzęcych raka sutka oraz raka wątroby. U myszy, które otrzymały kompleks (nanodiament plus lek), chemioterapeutyk utrzymywał się w krwioobiegu dziesięciokrotnie dłużej, dłużej pozostawał też w obrębie obu rodzajów guzów. Znacząco zwiększyło to skuteczność leku, zmniejszając rozmiary guzów. Doświadczenie wykazało też, że ND-DOX ograniczało rozprzestrzenianie się samej doksorubicyny na zewnątrz tkanek nowotworowych, co jest zwykle przyczyną działań niepożądanych. Nanodiamenty są w dodatku tanie w produkcji i biokompatybilne, czyli nietoksyczne dla organizmu. „Mają one wiele cech idealnego systemu dostarczania leków” – podsumowuje Edward K. Chow. Jego zespół w ostatnich latach z powodzeniem testował połączenie nanodiamentów także z innymi chemioterapeutykami m.in. epirubicyną (m.in. w raku wątroby) czy mitoksantronem (w raku piersi). Doksorubicyna była pierwszym nanolekiem dopuszczonym do użytku przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (Food and Drug Administration) w formie liposomalnej. Liposomy to struktury powstające samoistnie z fosfolipidów, mające postać pęcherzyków (wielkości 0,01‒1 mikrometra) wypełnionych wodą, otoczonych podwójną warstwą lipidową o grubości ok. 5 nanometrów. Otoczka liposomów jest zbudowana analogicznie do błon biologicznych. Ponieważ wewnątrz liposomów można umieszczać roztwory lub zawiesiny wodne różnych substancji – w tym leków ‒ znajdują one coraz szersze zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym. Leki w tej postaci są lepiej wchłanialne. Doxil – doksorubicyna w formie liposomalnej ‒ stosowany jest m.in. w leczeniu raka jajników czy szpiczaka mnogiego; Onivyde ‒ liposomalna postać irinotekanu ‒ stosowany jest m.in. w leczeniu raka trzustki. Z kolei Abraxane to preparat, w którym chemioterapeutyk wiąże się z białkami ‒ albuminami – i jest stosowany w leczeniu raka piersi oraz raka trzustki.

Wypalanie guza od środka

Nanocząstki stosowane są nie tylko w chemioterapii. Zespól prof. Wei Chena z centrum Nano-Bio Physics na University of Texas at Arlington (UTA) opracował metodę zwalczania komórek nowotworowych bez uszkodzenia zdrowych komórek – z wykorzystaniem nanocząstek dwutlenku tytanu stymulowanych mikrofalami. Metoda ta nazywana jest terapią radykalną indukowaną mikrofalami lub terapią mikrodynamiczną. Do zabijania komórek nowotworowych wykorzystuje się reaktywne formy tlenu (ROS), które są naturalnym produktem ubocznym metabolizmu, ale ich nadmiar może uszkadzać komórki. Nanocząstki dwutlenku tytanu, wnikając do komórek, indukują powstanie ROS. „Komórki nowotworowe charakteryzują się wyższym stanem nasycenia ROS w stanie stacjonarnym niż normalne, zdrowe komórki” – wyjaśnia prof. Chen. „Podnosząc nasycenie ROS w komórkach nowotworowych do poziomu krytycznego wyzwalamy apoptozę komórek nowotworu, nie uszkadzając komórek zdrowych”. Eksperymenty badaczy z University of Texas at Arlington oraz Akademii Nauk Medycznych w Guangdong wykazały, że nowa terapia może znacząco hamować m.in. wzrost kostniakomięsaków.

Na nieco innej zasadzie działa terapia z użyciem nanocząstek tlenku żelaza. Nanocząstki magnetyczne MNPs (ang. magnetic nanoparticles) składają się z rdzenia (kobaltu lub tlenku żelaza) pokrytego substancją zwiększającą ich powinowactwo do tkanek. Następnie na cząstki oddziałuje się zmiennym polem magnetycznym, co powoduje precyzyjne miejscowe podgrzewanie i destrukcję guza – od wewnątrz.

Nanocząstki mogą być obrazowane, np. za pomocą pozytronowej tomografii emisyjnej (PET) albo obrazowania techniką rezonansu magnetycznego (MRI). Przykładem mogą być wspomniane już nanocząstki tlenku żelaza, które można wykorzystywać jako środek kontrastowy w MRI. Skoro więc nanocząstki mają właściwości lecznicze i jednocześnie dają się obrazować – wykrywać po wprowadzeniu do organizmu ‒ to czemu nie wykorzystać obu tych możliwości? Taka jest koncepcja podejścia zwanego teranostyką, czyli połączenia terapii i diagnostyki. Specjalnie skonstruowane nanocząstki mogą zawierać, np. rdzeń magnetyczny pozwalający na obrazowanie i monitorowanie przebiegu terapii, przeciwciała kierujące taką cząstkę do komórek nowotworowych i cząsteczkę leku. W ten sposób nie tylko precyzyjnie będzie można kierować leczenie do komórek nowotworowych, ale też monitorować skuteczność leczenia u konkretnego pacjenta i w razie potrzeby zmodyfikować terapię. Jednym z zespołów rozwijających takie nanocząstki jest międzynarodowe konsorcjum projektu GEMNS kierowane przez prof. dr. hab. Ireneusza Grudzińskiego z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. Unikalność podejścia rozwijanego przez zespół projektu GEMNS polega na zastosowaniu otoczek grafenowych do wytworzenia nanocząstek, do których dołączane są przeciwciała i leki. Jak tłumaczy dr Michał Bystrzejewski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego w rozmowie z PAP: „Jako materiały ochronne stosowano dotychczas m.in. polimery, które nie były odporne na wysokie temperatury czy krzemionkę. Węgiel okazał się lepszym materiałem ochronnym, jest praktycznie obojętny chemicznie i dobrze chroni nanocząstki magnetyczne przed korozją”.

Rusztowanie dla tkanek, ochrona przed bakteriami

Nanocząstki wykorzystywane są także w chirurgii np. do tworzenia biodegradowalnych matryc i rusztowań, na których można namnażać tkanki, a nawet całe narządy. To nie science fiction. W 2006 roku zespół prof. Anthony’ego Atali z Instytutu Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest University School of Medicine ogłosił, że siedem lat wcześniej wszczepił wyhodowane pęcherze moczowe siedmiorgu dzieciom, które przyszły na świat z wadą wrodzoną ‒ rozszczepieniem kręgosłupa i przepukliną oponowo-rdzeniową – pęcherz przy takiej wadzie często nie jest wystarczająco elastyczny, by utrzymywać mocz. Pobrane od pacjentów komórki mięśniowe oraz śluzówki namnażano na rusztowaniu, które po przeszczepie uległo samorozkładowi. Laboratorium Atali w różnym stopniu zaawansowania prowadzi prace nad hodowlą 20 różnych typów tkanek i narządów, w tym naczyń krwionośnych.

Obiecująco wygląda też nanomateriał stworzony przez naukowców ze szwedzkiego Chalmers University of Technology. Powstał on na bazie wykorzystywanego w medycynie szkła akrylowego (pleksiglasu). Nowy materiał jest miękki, ale bardzo elastyczny i wytrzymały, nazywany przez badaczy „nanogumą”; ma on znaleźć zastosowanie w wielu procedurach medycznych. Materiał jest nie tylko łatwy w aplikacji (można go w formie lepkiej cieczy wprowadzić w konkretne miejsce przez rurkę w czasie operacji laparoskopowych) oraz ma właściwości antybakteryjne: do jego powierzchni doczepione są nanopeptydy, chroniące przed namnażaniem się bakterii. Możliwe jest także kształtowanie materiału z użyciem drukarki 3D, badacze wydrukowali m.in. kształt, mogący zastąpić chrząstkę nosa. „W wielu przypadkach, gdy dochodzi do ubytku chrząstki, kości trą o siebie, powodując ból. Nasz materiał może wypełnić te ubytki” ‒ mówi prof. Martin Andersson, szef zespołu badawczego.

Antybakteryjne właściwości nanomateriałów mogą też pomóc w walce z plagą zakażeń szpitalnych, zwłaszcza tych antybiotykoopornych. Naukowcy z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie opracowali metodę nanoszenia w niskiej temperaturze cienkich warstw tlenków metali na trójwymiarowe powierzchnie. Nowa metoda pozwala pokrywać nawet termowrażliwe i wykonane z papieru czy tkaniny powierzchnie, a powstała warstwa jest jednolita i odporna na ścieranie. Następnie zespół ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie testował stworzone materiały pod kątem właściwości bakteriobójczych  – najskuteczniejsze okazały się tlenki metali ziem rzadkich. Antybakteryjne nanowarstwy mogłyby znaleźć zastosowanie w szpitalach, gdzie do zakażeń lekoopornymi bakteriami dochodzi bardzo często, ale także w miejscach publicznych np. na klamkach w publicznych toaletach czy w komunikacji miejskiej. „To innowacyjne rozwiązanie, które zabija albo zatrzymuje rozmnażanie i wzrost mikroorganizmów, może z sukcesem być zastosowane do pokrywania produktów przemysłowych, medycznych, filtrów do uzdatniania wody, a także w przetwórstwie żywności, przy przygotowywaniu i pakowaniu” – tłumaczyła PAP dr Anna Słońska-Zielonka z Wydziału Medycyny Weterynaryjnej SGGW.

Skutki uboczne

Nanotechnologia, mimo wielu nadziei, rodzi też pewne obawy. Rozmiar oraz mobilność nanocząsteczek sprawiają, iż mogą one bez problemu pokonywać bariery w organizmie. To ich zaleta, ale może i wada. Czy mogą nie tylko leczyć, ale także uszkadzać komórki? Tego nie wiemy, ale pojawiają się pierwsze doniesienia naukowe mogące to sugerować. Np. zespół Kena Donaldsona z Centre for Inflammation Research Uniwersytetu w Edynburgu badał pod tym kątem wielowarstwowe nanorurki węglowe, które są coraz powszechniej wykorzystywane w przemyśle. Badania na zwierzętach wykazały, że rurki o długości większej niż 20 μm mogą powodować stany przedrakowe w płucach. Układ odpornościowy próbuje bowiem zwalczyć ciała obce, które dostają się do układu oddechowego wraz z wdychanym powietrzem. Jeżeli fagocyty nie mogą pochłonąć ciała obcego ‒ np. nanorurki ‒ gromadzą się wokół niego i dochodzi wtedy do zapalenia skutkującego powstaniem ziarniniaka, który może prowadzić do pojawienia się międzybłoniaka opłucnej – nowotworu złośliwego komórek błony wyściełającej jamę opłucnową.

Adam Dziki

Michał Fiedorowicz

Bibliografia:

L.K. Moore, E.K. Chow, E. Osawa, J.M. Bishop, D. Ho, Diamond-Lipid Hybrids Enhance Chemotherapeutic Tolerance and Mediate Tumor Regression, „Advanced Materials”, April 2013, https://doi.org/10.1002/adma.201300343

New Plexiglass-Type Nanomaterial Could Serve as Replacement for Human Tissue, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=37195

Xin Wang Xinyi, E. Kai-Hua Chow, Epirubicin-Adsorbed Nanodiamonds Kill Chemoresistant Hepatic Cancer Stem Cells, „ACS Nano” 8(12), December 2014; DOI: 10.1021/nn503491e

F.A. Murphy, A. Schinwald, C.A. Poland, K. Donaldson, The mechanism of pleural inflammation by long carbon nanotubes: interaction of long fibres with macrophages stimulates them to amplify pro-inflammatory responses in mesothelial cells, „Fibre Toxicol”, Apr 3;9:8, 2012; DOI: 10.1186/1743-8977-9-8.

  1. Ranganathan, S. Madanmohan, A. Kesavan, G. Baskar, Y.R. Krishnamoorthy, R. Santosham, D. Ponraju, S.K. Rayala, G. Venkatraman, Nanomedicine: towards development of patient-friendly drug-delivery systems for oncological applications, „International Journal of Nanomedicine”. 7 (2012), s. 1043–1060. DOI:10.2147/IJN.S25182. PMC 3292417. PMID 22403487.
  2. Duszczyk, Nanowarstwy ochronią przed zakażeniami szpitalnymi, http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news%2C80078%2Cnanowarstwy-ochronia-przed-zakazeniami-szpitalnymi.html, (dostęp: 17.04.2020).

Naukowcy UŚ wykorzystują nanomedycynę do walki z nowotworami, http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news%2C80809%2Cnaukowcy-us-wykorzystuja-nanomedycyne-do-walki-z-nowotworami.html (dostęp: 17.04.2020)

R.P. Feynman, There’s Plenty of Room at the Bottom, 1959.

Strona projektu GEMNS http://gemns.wum.edu.pl/