Nanotechnológia - doktor v krvi - zdravie

Aktuálne správy v Süddeutsche Zeitung

hovorí Alexiou

Dashboard

ekonomiky

Mníchov

Kultúra

spoločnosti

Vedomosti

Nanotechnológia: lekár v krvi

  • Nanomedicíny vyvíjajú malé prístroje, ktoré navigujú pacientovu krv.
  • Sú určené na uvoľňovanie liekov tam, kde sú potrebné.
  • To by mohlo byť obzvlášť užitočné v boji proti nádorom, krvným zrazeninám alebo chorobám sietnice.

Christian J. Meier

Myšlienka je stará, už v roku 1966 sa v hollywoodskom filme „Fantastická cesta“ scvrknutá ponorka a jej posádka pohybovala v žilách pacienta. Malo by mu to laserovať neoperovateľnú krvnú zrazeninu v mozgu. Nové je to, že už niekoľko rokov chcú lekári a inžinieri skutočne takéto vízie realizovať, napríklad v laboratóriu vo fakultnej nemocnici v Erlangene. Nevyzerá to presne ako dielňa pre lekárske vízie, skôr ako úplne bežná ošetrovňa: gauč pre pacienta, masívny prístroj a monitory, na ktorých je možné vidieť röntgenové snímky krvného obehu.

Lekár Christoph Alexiou tu pracuje na drobných tvoroch, ktoré majú eliminovať choroby zvnútra. „Chcem to priviesť k pacientovi,“ hovorí vedúci sekcie pre experimentálnu onkológiu a nanomedicínu. Za pár rokov chce v klinických testoch ničiť nádory akousi navádzanou zbraňou veľkosti vírusu. Tím Erlangen sa zameriava aj na artériosklerózu a sepsu.

„Chirurgia zostane zlatým štandardom v liečbe rakoviny,“ hovorí Alexiou. Nádory sa však nedajú vždy odstrániť skalpelom, napríklad preto, že sú v mozgu. Lieky na rakovinu injikované do krvi sa dostávajú do centra ochorenia. Ale iba jeho malá časť. Väčšina z neho je distribuovaná do celého tela. Chemoterapia má preto často obrovské vedľajšie účinky.

Vedci zostrojili len pár milimetrov veľkého robota, ktorý má cestovať po ľudskom tele. Tam mohol transportovať lieky alebo spaľovať nádorové bunky.

Správa Jan Schwenkenbechera, Stuttgart

Tento brokový prístup trápil priekopníka medicíny Paula Ehrlicha už v roku 1907. Chcel „vrhať magické guľky, ktoré zasiahli iba patogén“. V tom čase to bol vzdialený sen. Až takmer o 80 rokov neskôr americký inžinier Eric Drexler plánoval roboty veľkosti bielych krviniek. Palubný počítač by mal riadiť tieto „prístroje na opravu buniek“ krvou, používať senzory na zisťovanie ohniskov chorôb, napríklad usadenín v drobných mozgových cievach, a odstraňovať ich pomocou nástrojov nie väčších ako molekula. Aj tento projekt zostal víziou.

„Namiesto vybavenia stroja inteligenciou používame logiku biológie.“

Je pravda, že vedci dnes vyrábajú pohony, senzory alebo robotické ramená, ktoré sú také malé, že pre nich kvapalné vnútro bunky pripomína jazero na kúpanie. Palubný počítač veľký niekoľko nanometrov (milióntin milimetra), ktorý by bol schopný ovládať zložité zariadenie zložené z takýchto komponentov, však stále nie je v dohľade. Dnešní vedci sa už ale aj tak nespoliehajú na zmenšenie počtu robotov na nano veľkosť. To sa im zdá príliš ťažkopádne.

„Chceme výrazne znížiť zložitosť,“ hovorí Volker Mailänder, lekár a vedec v lekárskom centre na univerzite v Mohuči a v tamojšom Inštitúte pre výskum polymérov Maxa Plancka. Iba tak je možné v dohľadnej budúcnosti uviesť túto technológiu do každodennej klinickej praxe. Prístup tímu vedeného spoločnosťou Mailänder a chemičkou Katharinou Landfester je napriek tomu zložitý: vedci plnia malé plastové kapsuly liekom proti rakovine a vstrekujú ich do tela. Nanočastice by potom mali rakovinové bunky nájsť samy.

Tím za týmto účelom pokryje častice takzvanými protilátkami. Každá z týchto molekúl pripomína kľúč. Zhodný zámok je proteín, ktorý na svojom povrchu nesú iba nádorové bunky. Ak sa tieto dve biomolekuly náhodou stretnú, spoja sa. Častica dorazila na miesto určenia, preniká do rakovinovej bunky a uvoľňuje tam svoj smrtiaci náklad. To trochu pripomína „magické sféry“ Paula Ehrlicha, pretože nanočastice plávajú okolo zdravých buniek. Volker Mailänder sumarizuje taktiku: „Namiesto vybavenia stroja inteligenciou používajú naše častice logiku biológie.“

Lieky prší na krvnú zrazeninu

Je to strhujúci nápad, ale je možné ho realizovať iba pomocou starostlivej podrobnej práce. Napríklad tím Mainz skúmal šesť rokov s cieľom prekonať iba jednu z mnohých prekážok. Jedným z problémov bolo, že bielkoviny v krvi sa ukladali nad nanočasticami a pokrývali tak väčšinu protilátok - rakovinové senzory. Väčšina častíc by bezcieľne blúdila telom. Vedci potom zistili, že veľa protilátok v tvare Y nebolo pripojených k častici vzpriamene na „stonke“, ale ležali naprieč. Vertikálne by vyčnievali z bielkovinovej škrupiny. Iba niekoľkými trikmi sa vedcom z Mainzu podarilo získať väčšinu protilátok, proteíny teraz už neinterferujú. Nanomedicíny budú čoskoro testované na pokusoch na zvieratách.

Nanomedicíny však nechcú bojovať iba s rakovinou. Aj ďalšie choroby vysielajú signály, ktoré je možné snímať jednoduchými nanoponorkami. Vedci spolupracujúci s Donaldom Ingberom na Harvardovej univerzite v Bostone vyvinuli typ senzora preťaženia, ktorý ukazuje zúženie krvných ciev. Krvné zrazeniny spôsobujú mŕtvicu, infarkty alebo pľúcne embólie. Existujú lieky, takzvané trombolytiká, ktoré ich môžu rozpustiť. Ale tieto látky majú niekedy vážne vedľajšie účinky, napríklad mozgové krvácanie. Lekári preto hľadajú lieky, ktoré pôsobia priamo na zátku. Bostonskí vedci preto potiahli nanočastice kyseliny mliečnej trombolytickým činidlom. Vznikajú tak voľné hrudky, ktoré plávajú krvou ako vlhké, pomerne krehké guľôčky piesku.

Štruktúra môže byť nanajvýš veľká, aby mohla byť zahrnutá do oblasti nanotechnológií, nanometer je miliardtina metra. V tomto poradí sú povrchové vlastnosti čoraz dôležitejšie. Existujú už aj nátery, ktoré sa samy čistia (lotosový efekt) alebo napríklad umožňujú lepšiu tekutosť kečupu.

V úzkych oblastiach sa prietok krvi zrýchľuje. To, čo ťahá za zhluky častíc, sa vtiera medzi prstami ako guľky piesku. Jednotlivé nanočastice prší na zástrčku a účinné látky môžu robiť svoju prácu. V experimente na zvieratách Ingberov tím ukázal, že ich mobilné zariadenie na meranie tlaku špecificky rozpúšťalo krvné zrazeniny. Pretože na to stačila iba tisícina zvyčajnej dávky, nebezpečné vedľajšie účinky sú menej pravdepodobné. Preto je možné nanomedikáciu bez väčších obáv podať na mieste mimoriadnej udalosti a nie na klinike, hovorí Ingber - možno záchranu času.

V porovnaní so skutočnou ponorkou nie sú nanočastice, ktoré rozpoznávajú svoj cieľ, veľmi nezávislé. Bez riadenia alebo riadenia sú distribuované do celého tela a iba malá časť sa vyplavuje k zdroju choroby. Zvýšený účinok v porovnaní s klasickou chemoterapiou je spôsobený skutočnosťou, že každá častica obsahuje veľké množstvo účinnej látky: namiesto jedného balenia je plný celý dodávací vozík. „Veríme, že môžeme dávku nádoru zdvojnásobiť,“ hovorí Mailänder. Ale aj potom iba pár percent z celkovej dávky dosiahne svoj cieľ. Keby lekári vedeli presnú lokalizáciu rakovinových metastáz alebo krvných zrazenín, boli by schopní poskytnúť ešte cielenejšiu terapiu. Potom by ste však potrebovali jednotku a radič pre nanoriaditeľov.

Vedci však už na takýchto projektoch pracujú, napríklad na Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) v Stuttgarte. Aj tie vychádzajú z príkladu prírody, pretože klasickú lodnú vrtuľu v nano rozmeroch ešte nikto nedokázal vyrobiť. Jedným z ich nápadov bolo napodobniť mušle, ktoré veslujú vo vode tak, že symetricky otvárajú a zatvárajú svoje mušle a medzi nimi sa posúvajú vodou.

Tabletka, ktorá iskrí zo žalúdka, je len začiatok. Netrvalo dlho a drobní roboti dokázali monitorovať a uzdraviť aj tie najvzdialenejšie kúty ľudského tela.

Od Hubertusa Breuera

Vedcom sa v skutočnosti podarilo zostaviť taký mikroskopický plavák. Bohužiaľ vo väčšine tekutín neskĺzava - pre neho je voda alebo krv tvrdá ako med. Zatvorením by sa posunul o krok vpred, otvorením by sa posunul o jeden späť. Možné použitie špeciálneho média je vyhradené, napríklad v synoviálnej tekutine. Funguje tu trik: vedci ovládajú mušle tak, aby sa rýchlo otvárali a pomaly zatvárali. Vďaka tomu je tekutina riedšia.

Ako alternatívu k slávkam používajú vedci ako modely určité baktérie. Tieto si cestu cez kvapaliny priskrutkovali ako vývrtka. Drobné vývrtky sa dajú vyrobiť pomocou nanotechnológie naparením rotujúceho disku s atómami. Skrutky otáča magnet. Tian Qiu z MPI-IS zistila, že na veľkosti skutočne záleží. Fyzik chcel takéto vozidlo riadiť cez očnú bulvu mŕtveho prasaťa.

Pozadie: Pri liečbe makulárnej degenerácie chcú lekári čo najpresnejšie zacieliť na sietnicu pomocou liekov. Prvá verzia mikroplavca sa zachytila ​​v sieti bielkovinových nití, ktoré prestupovali vodu v očnej gule. „Museli sme plavcov zmenšiť, aby mohli prekĺznuť cez pletivo,“ hovorí Qiu. Noví plavci smerovali na sietnicu a stretli sa s ňou. Experiment je však iba dôkazom, že technológia mohla v zásade fungovať. Komplexná technológia výroby navyše už zakazuje široké použitie na klinikách.

V blízkosti nádorov sa zvyšuje hodnota pH. To možno použiť na navigáciu

Skrutka čerpá svoju energiu zvonku - z magnetu, ktorý ju otáča. Iní vedci sa snažia dosiahnuť, aby ich nanoponorky boli energeticky sebestačné. „Mikro rakety“ čerpajú palivo priamo z kvapaliny, cez ktorú plávajú. Kónická trubica je lemovaná katalyzátorom, ktorý premieňa chemickú zlúčeninu z okolitého prostredia. Výsledné bubliny vytekajú zo širokého konca a poháňajú raketu spätným rázom. Najmenší projektil tohto druhu je malý ako vírus.

Podobne ako baktérie, aj také nanoponorky by sa mali orientovať na signály z ich prostredia: napríklad gravitáciu alebo zvyšovanie jasu. Choroby tiež vysielajú chemické správy; hodnota pH stúpa napríklad v blízkosti nádorov. Na čerstvo zlomených kostiach sa vytvára elektrické pole, ktoré priťahuje elektricky nabité nanočastice, ako sa ukázalo v skúmavke.

Lekári používajú röntgenové vyšetrenie krvných ciev ako akýsi cestovný plán tela

Takýto základný výskum je ešte veľmi vzdialený od využitia u pacientov. Iný prístup, na ktorom pracuje Christoph Alexiou z Erlangenu, je možno trochu bližšie k praxi. V chemickom laboratóriu svojho oddelenia člen tímu ukazuje, ako ľahko sa dajú nanočastice nasmerovať. V ruke drží skúmavku, ktorá obsahuje dve vrstvy kvapaliny: hrdzavočervenú na spodku a priehľadnú na vrchu. Výskumník drží magnet v spodnej časti a vedie ho pozdĺž sklenenej steny. Červená tekutina sa plazí po stene. Sú to magnetické nanočastice, ktoré sledujú magnetické pole.

Takéto častice sa už používajú ako kontrastné látky pri hľadaní metastáz. Alexiouov tím ho však chce použiť ako prostriedok na liečenie rakoviny. Vedľa gauča pre pacientov vo vedľajšom laboratóriu, na ktorom sa experimenty uskutočňovali iba na králikoch a darcovstve tela, sa nachádza nastaviteľný elektromagnet: pohon a riadenie pre Alexious nanoponorky. „Injikujeme častice blízko nádoru,“ vysvetľuje lekár. Potom ich vedci pomocou sily elektromagnetu vtiahnu do ciev nádoru. Je to tak preto, lebo majú o niečo väčšie póry v stenách ako bežné žily. Častice cez ne vkĺzli do rastúceho tkaniva a odložili svoj smrtiaci náklad.

Na ľuďoch sa chystá použitie niekoľkých nových chirurgických strojov. Môžete operovať v obmedzenom priestore a s viacerými rukami súčasne. Prinášajú však výhody aj pre pacientov?

Od Borisa Hänßlera

Vďaka riadeniu končí viac ako 60 percent podanej účinnej látky v nádore, čo preukázali testy na králikoch. Rakovina zmizla u takmer tretiny zvierat po ôsmich týždňoch. Dávka liečiva proti rakovine bola 20-krát nižšia ako pri bežnej liečbe.

Aby sa zlepšilo vedenie po trase, vedci urobia röntgenový snímok krvných ciev, ktorý používajú ako cestovnú mapu. „Pomocou katétra privedieme častice na ideálne miesto, aby sme ich mohli ďalej prenášať magnetom,“ vysvetľuje Alexiou. Týmto spôsobom sa chcú vyhnúť nesprávnemu otočeniu častíc a chýbaniu nádoru. Nové robotické rameno by navyše malo viesť magnet s väčšou presnosťou. „Týmto spôsobom dúfame, že budeme schopní ešte silnejšie sústrediť častice v nádore,“ hovorí Alexiou. Otvorenou otázkou je, ako je možné nanočastice nasmerovať do nádorov hlboko v tele. Pretože magnetické pole slabne so vzdialenosťou od magnetu. Vedci chcú zmenou tvaru magnetu viac sústrediť pole tak, aby preniklo hlbšie. Vedci dúfajú, že o tri roky uskutočnia prvé klinické testy na pacientoch.

Takže „fantastická cesta“ ľudským telom sa mohla uskutočniť čoskoro. Vedci neveria, že tomu nebránia obavy z toxicity nanočastíc. „Nanočastice oxidu železitého sú dobre tolerované,“ hovorí Alexiou. Telo látku používa. Volker Mailänder tiež upokojuje: „Častice vyrábame z látok, ktoré telo dokáže vylúčiť.“

Terapia by sa nakoniec nemala skončiť tak, ako sa skončila v hollywoodskom filme spomínanom na začiatku. V tom ponorkoví chirurgovia nechali náhodne člena posádky a zmenšenú ponorku v tele pacienta.