Nanotechnológia - orvos a vérben - egészség
Aktuális hírek a Süddeutsche Zeitung-ban
Irányítópult
gazdaság
München
Kultúra
társadalom
Tudás
Nanotechnológia: orvos a vérben
- A nanomedicinák apró eszközöket fejlesztenek, amelyek a páciens véráramában navigálnak.
- Úgy tervezték, hogy a gyógyszereket ott szabadítsák fel, ahol szükséges.
- Ez különösen hasznos lehet a daganatok, a vérrögök vagy a retina betegségei elleni küzdelemben.
Írta: Christian J. Meier
Az ötlet régi, már 1966-ban a "The Fantastic Journey" című hollywoodi filmben egy zsugorodott tengeralattjáró és legénység navigálta a beteg ereit. Lézernek kell lennie egy működésképtelen vérrögöt az agyában. Újdonság, hogy az orvosok és mérnökök már évek óta valóban ilyen elképzeléseket akarnak megvalósítani, például az erlangeni egyetemi kórház laboratóriumában. Itt nem egészen úgy néz ki, mint egy orvosi látomás műhelye, sokkal inkább egy teljesen normál kezelőszoba: betegfotel, masszív készülékek és monitorok, amelyeken vérkeringés röntgensugarai láthatók.
Itt Christoph Alexiou orvos apró lényeken dolgozik, amelyeknek állítólag belülről kell kiküszöbölniük a betegségeket. "Ezt be akarom vinni a betegbe" - mondja a kísérleti onkológia és a nanomedicina szekciójának vezetője. Néhány év múlva a klinikai vizsgálatok során egyfajta irányított fegyverrel szeretné megsemmisíteni a daganatokat. Az Erlangen csapata az arteriosclerosis és a szepszis kezelésére is törekszik.
"A műtét továbbra is a rákkezelés arany színvonala marad" - mondja Alexiou. A daganatokat azonban nem mindig lehet eltávolítani szikével, például azért, mert az agyban vannak. A vérbe injektált rákgyógyszerek eljutnak a betegség középpontjába. De csak egy kis része. Legtöbbje a testben oszlik el. A kemoterápiának ezért gyakran hatalmas mellékhatásai vannak.
A kutatók csak néhány milliméter nagyságú robotot építettek, amely állítólag körbejárja az emberi testet. Itt kábítószert szállíthat, vagy daganatos sejteket égethet el.
Jan Schwenkenbecher, Stuttgart jelentése
Ez a puskalövés már 1907-ben zavarta az orvosi úttörőt, Paul Ehrlichet. "Csak olyan varázslövedékeket akart leadni, amelyek csak a kórokozót érik". Abban az időben ez egy távoli álom volt. Csak majdnem 80 évvel később Eric Drexler amerikai mérnök fehérvérsejt méretű robotokat tervezett. A fedélzeti számítógépnek ellenőriznie kell ezeket a "sejtjavító gépeket" a véráramon keresztül, szenzorok segítségével felismernie a betegség gócait, például az agy egy apró edényében lévő lerakódást, és azt egy molekulánál nem nagyobb eszközökkel el kell távolítania. Ez a projekt is jövőkép maradt.
"Ahelyett, hogy egy gépet intelligenciával látnánk el, a biológia logikáját alkalmazzuk."
Igaz, hogy a kutatók manapság olyan meghajtókat, szenzorokat vagy robotkarokat építenek, amelyek annyira aprók, hogy számukra a sejt folyékony belseje egy úszó tóra emlékeztet. De még mindig nem látható egy néhány nanométeres (milliméter milliméter) fedélzeti számítógép, amely képes lenne vezérelni az ilyen alkatrészekből álló komplex eszközt. De a mai kutatók amúgy sem támaszkodnak a robotok nano méretre zsugorítására. Ez túl nehézkesnek tűnik számukra.
"Nagyban szeretnénk csökkenteni a bonyolultságot" - mondja Volker Mailänder, a Mainzi Egyetem Orvosi Központjának és az ottani Max Planck Polimer Kutató Intézet orvosa és tudósa. Csak így lehet belátható időn belül bevezetni a technológiát a mindennapi klinikai gyakorlatba. A Mailänder és Katharina Landfester vegyész által vezetett csoport megközelítése mindazonáltal bonyolult: A kutatók apró műanyag kapszulákat töltenek fel a rákellenes szerrel, és befecskendezik őket a testbe. Ezután a nanorészecskéknek maguknak kell megtalálniuk a rákos sejteket.
Ehhez a csapat úgynevezett antitestekkel borítja be a részecskéket. E molekulák mindegyike hasonlít egy kulcsra. Az egyező zár olyan fehérje, amelyet csak a tumorsejtek hordoznak a felszínükön. Ha véletlenül találkozik a két biomolekula, akkor egyesülnek. A részecske elérte rendeltetési helyét, behatol a rákos sejtbe és ott engedi ki halálos rakományát. Ez egy kicsit Paul Ehrlich "varázsgömbjeire" emlékeztet, mivel a nanorészecskék elúsznak az egészséges sejtek mellett. Volker Mailänder összefoglalja a taktikát: "Ahelyett, hogy a gépet intelligenciával látnánk el, részecskéink a biológia logikáját alkalmazzák."
A vérrögön esik a gyógyszeres kezelés
Magával ragadó ötlet, de csak fárasztó részletességgel valósítható meg. Például a mainzi csapat hat évig kutatott, hogy a sok akadály közül csak egyet legyőzhessen. Az egyik probléma az volt, hogy a vérben lévő fehérjék a nanorészecskék felett helyezkedtek el, és így lefedték az antitestek nagy részét - a rákérzékelőket. A részecskék nagy része céltalanul vándorolna a testen. A kutatók ekkor azt tapasztalták, hogy az Y alakú antitestek közül sok nem a száránál függőlegesen kapcsolódott a részecskéhez, hanem inkább átfeküdt. Függőlegesen nyúlnának ki a fehérje héjából. Csak néhány trükkel sikerült a mainzi tudósoknak előállítani az antitestek nagy részét, most már a fehérjék már nem zavarják. A nanomedicinákat hamarosan állatkísérletekkel tesztelik.
De a nanomedicinák nem csak a rák ellen akarnak harcolni. Más betegségek is olyan jeleket küldenek, amelyeket az egyszerű nano-tengeralattjárók érzékelhetnek. A bostoni Harvard Egyetemen, Donald Ingberrel dolgozó kutatók kifejlesztettek egyfajta torlódásérzékelőt, amely az erek szűkületét mutatja. A vérrögök stroke-ot, szívrohamot vagy tüdőembóliát okozhatnak. Vannak olyan gyógyszerek, úgynevezett trombolitikumok, amelyek képesek feloldani őket. De ezeknek az anyagoknak néha vannak súlyos mellékhatásai, például agyi vérzés. Tehát az orvosok olyan gyógyszereket keresnek, amelyek közvetlenül a dugón hatnak. A bostoni kutatók ezért a tejsav nanorészecskéket trombolitikus szerrel vonták be. Ez laza csomókat hoz létre, amelyek nedves, viszonylag törékeny homokgolyóként úsznak át a vérben.
Egy szerkezet legfeljebb akkora lehet, hogy bekerüljön a nanotechnológia területére, a nanométer a méter milliárdod része. Ezekben a nagyságrendekben a felület tulajdonságai jelentőségre tesznek szert. Vannak már olyan bevonatok, amelyek megtisztítják magukat (lótuszhatás), vagy például jobban engedik a ketchupot.
Szűk területeken felgyorsul a véráramlás. Ez felhúzza a részecskecsomókat, és az ujjak közé dörzsöli őket, mint a homokgolyókat. Az egyes nanorészecskék a dugóra esnek, és a hatóanyagok elvégezhetik a dolgukat. Állatkísérlet során Ingber csapata kimutatta, hogy mobil nyomásmérő készülékük kifejezetten feloldotta a vérrögöket. Mivel a szokásos adagnak csak ezreléke volt elég ehhez, a veszélyes mellékhatások kevésbé valószínűek. Ezért lehet, hogy a nano-gyógyszert vészhelyzetben lehet beadni, és nem a klinikán, különösebb aggodalom nélkül, mondja Ingber - ez talán életmentő nyereség idővel.
Egy igazi tengeralattjáróval összehasonlítva a nanorészecskék, amelyek felismerik célpontjukat, nem túl függetlenek. Hajtás vagy kormányzás nélkül eloszlanak a testben, és csak egy apró töredék kerül a betegség forrására. A klasszikus kemoterápiához képest megnövekedett hatás annak köszönhető, hogy minden részecske nagy mennyiségű hatóanyagot hordoz magában: egy csomag helyett egy teljes szállítókocsi teli. "Hisszük, hogy megduplázhatjuk a daganatot a daganatban" - mondja Mailänder. De akkor is a teljes adagnak csak néhány százaléka éri el célját. Ha az orvosok tudnák a rákos áttétek vagy vérrögök pontos helyét, akkor még célzottabb terápiát tudnának biztosítani. Ehhez azonban szükséged lenne egy meghajtóra és egy vezérlőre a nano-ügynökök számára.
De a kutatók már dolgoznak ilyen projekteken, például a stuttgarti Max Planck Intelligens Rendszerek Intézetében (MPI-IS). Ők is a természet példáján alapulnak, mert még senki sem tudott nano dimenziókban klasszikus hajócsavarot gyártani. Az egyik ötletük az volt, hogy utánozzák a kagylót, amely evez a vízen, szimmetrikusan kinyitva és becsukva a kagylót, és a köztük csúszkálva.
A gyomorból szikrázó tabletta csak a kezdet. Nemsokára apró robotok képesek voltak megfigyelni és meggyógyítani az emberi test legtávolabbi zugait is.
Hubertus Breuertől
Valójában a tudósok képesek voltak ilyen mikroszkopikus úszót építeni. Sajnos a legtöbb folyadékban nem csúszik - számára a víz vagy a vér olyan kemény, mint a méz. A bezárással egy lépést kellene előrelépni, a nyitással pedig egyet. Speciális táptalajok esetleges felhasználását fenntartják, például az ízületi folyadékban. Itt egy trükk működik: a kutatók úgy irányítják a kagylóhéjat, hogy azok gyorsan kinyíljanak és lassan becsukódjanak. Ezáltal a folyadék hígabbá válik.
A kagylók alternatívájaként a kutatók bizonyos baktériumokat használnak modellként. Ezek dugóhúzó-szerű csapdával csavarják át a folyadékokat. Apró dugóhúzókat nanotechnológia segítségével lehet előállítani egy forgó korong atomokkal történő párolásával. Mágnes forgatja a csavarokat. Tian Qiu, az MPI-IS munkatársa felfedezte, hogy a méret valóban számít. A fizikus egy ilyen járművet egy elhullott disznó szemgolyóján keresztül akart irányítani.
A háttér: A makula degeneráció kezelésénél az orvosok a lehető legpontosabban gyógyszerekkel akarják megcélozni a retinát. A mikroúszó első változata egy fehérjefonal hálózatába került, amely behatolt a szemgolyó vízébe. "Még kisebbeket kellett készítenünk az úszókról, hogy átcsússzanak a hálón" - mondja Qiu. Az új úszók a retina felé vették az irányt, és találkoztak vele. A kísérlet azonban csak bizonyítja, hogy a technológia elvileg működhetne. Ezenkívül a komplex gyártási technológia már tiltja a klinikákon történő széleskörű alkalmazást.
A daganatok közelében nő a pH-érték. Ezt fel lehet használni a navigációhoz
A csavar kívülről meríti energiáját - az azt elfordító mágnesből. Más kutatók megpróbálják önellátóvá tenni nano-tengeralattjáróikat. A "mikrorakéták" közvetlenül abból a folyadékból merítik az üzemanyagot, amelyen keresztül úsznak. A kúpos csövet katalizátorral bélelik, amely átalakítja a kémiai vegyületet a környezetből. A keletkező buborékok kifolynak a széles végből, és visszarúgással hajtják a rakétát. A legkisebb ilyen lövedék olyan apró, mint egy vírus.
A baktériumokhoz hasonlóan az ilyen nano-tengeralattjáróknak a környezetükből származó jelekre kell orientálódniuk: például a gravitációra vagy a növekvő fényerőre. A betegségek kémiai üzeneteket is küldenek; a pH-érték például a daganatok közelében emelkedik. A frissen törött csontokon elektromos mező jön létre, amely vonzza az elektromosan töltött nanorészecskéket, amint azt a kémcső bemutatta.
Az orvosok az erek röntgenfelvételét használják a test egyfajta útiterveként
Az ilyen alapkutatások még messze vannak attól, hogy a betegeknél alkalmazzák őket. Egy másik megközelítés, amelyen az erlangeni Christoph Alexiou dolgozik, talán kicsit közelebb áll a gyakorlathoz. Tanszékének kémiai laboratóriumában a csapattag megmutatja, hogy a nanorészecskék milyen könnyen irányíthatók. Egy kémcsövet tart a kezében, amely két réteg folyadékot tartalmaz: alul rozsdavörös, felül felül átlátszó. A kutató mágnest fog az alsó részhez, és az üvegfal mentén vezeti. A vörös folyadék kúszik fel a falon. Ezek mágneses nanorészecskék, amelyek követik a mágneses teret.
Az ilyen részecskéket már kontrasztanyagként használják az áttétek keresése során. Alexiou csapata azonban rákellenes gyógyszerek hordozójaként akarja használni. A szomszédos laboratóriumban a betegágy mellett, amelyen csak nyulakat és testadományokat végeztek, állítható elektromágnes található: hajtás és kormányzás az Alexious nano-tengeralattjárók számára. "A daganathoz közeli részecskéket injektáljuk" - magyarázza az orvos. Ezután a kutatók az elektromágnes erejével behúzzák őket a daganat edényeibe. Ennek oka, hogy ezek falain valamivel nagyobb pórusok vannak, mint a normál vénáknál. A részecskék átcsúsznak rajtuk a szaporodó szövetbe, és kidobják halálos rakományukat.
Számos új műtéti gép készül felhasználni emberen. Zárt térben és több karral is működhet egyszerre. De előnyökkel járnak a betegek számára is?
Boris Hänßlertől
A kormányzásnak köszönhetően a beadott hatóanyag több mint 60 százaléka a daganatba kerül, amint azt nyulakon végzett vizsgálatok kimutatták. Az állatok csaknem egyharmadában nyolc hét után eltűnt a rák. A rákos gyógyszer adagja 20-szor alacsonyabb volt, mint a normál terápia esetén.
Az útvonaltervezés javítása érdekében a kutatók röntgenfelvételt készítenek az erekről, amelyeket útitervként használnak. "Katétert használunk arra, hogy a részecskéket ideális helyre hozzuk, hogy tovább vigyük őket a mágnessel" - magyarázza Alexiou. Ily módon el akarják kerülni, hogy a részecskék rossz fordulatot vegyenek és hiányozhassanak a daganatból. Ezenkívül egy új robotkarnak nagyobb pontossággal kell irányítania a mágnest. "Így reméljük, hogy a részecskéket még erősebben tudjuk koncentrálni a daganatba" - mondja Alexiou. Nyitott kérdés, hogyan lehet a nanorészecskéket a test mélyén elhelyezkedő daganatokba irányítani. Mivel a mágneses mező gyengül a mágnes távolságától. A mágnes alakjának változtatásával a kutatók jobban koncentrálni akarják a teret, hogy az mélyebben behatoljon. Három év múlva a tudósok azt remélik, hogy elvégzik az első klinikai vizsgálatokat a betegeken.
Tehát a "fantasztikus utazás" az emberi testen hamarosan megtörténhet. A kutatók nem hiszik, hogy a nanorészecskék toxicitásával kapcsolatos aggodalmak megakadályozzák ezt. "A vas-oxid nanorészecskék jól tolerálhatók" - mondja Alexiou. A test használja az anyagot. Volker Mailänder szintén megnyugtatja: "A részecskéket olyan anyagokból állítjuk elő, amelyeket a test képes kiválasztani."
Végül is a terápiának nem szabad véget érnie, mint az elején említett hollywoodi filmben. Ebben a tengeralattjáró sebészek véletlenül hagyták a személyzet egyik tagját és a zsugorodott tengeralattjárót a beteg testében.