211service.com
Nanovapen Gå med i kampen mot cancer
Tänk dig att bli behandlad för cancer med ett par besök hos din läkare. Han ger dig helt enkelt en injektion och sedan ett par veckor senare kör han infrarött ljus över din kropp för att aktivera cancerdödande medel och skära ut tumören. Låter det som en Ray Bradbury-roman? Berätta inte det för Naomi Halas. Hon är Stanley C. Moore-professor i elektro- och datorteknik och professor i kemi vid Rice University, och hon har mer än föreställt sig det - hon har utvecklat processen sedan 1997, då hon uppfann små partiklar med enorm terapeutisk potential. Hon kallar dem nanoskal.
Nanoskal är mikroskopiska koncentriska sfärer med kiselkärnor och guldskal. Guld ger Halas den termiska och optiska respons som hennes behandlingsprocess kräver, och kroppen genererar inga antikroppar mot det. Genom att variera storleken på kiseldioxidkärnan och tjockleken på guldet fann Halas att hon kunde ställa in nanoskalen för att absorbera ljus med olika våglängder. För cancerbehandling, säger hon, visade sig infrarött vara bäst eftersom det penetrerar kroppen längst.
I experiment injiceras nanoskal i ett djurs blodomlopp, där målinriktade medel som appliceras på dem letar upp och fäster på ytan av receptorer av cancerceller. Belysning med infrarött ljus höjer cellernas temperatur till 55 grader Celsius och bränner bort tumören, säger hon.
Halas fokuserar sin forskning på bröstcancer. Hon hoppas att nanoskal kommer att visa sig vara ett lönsamt alternativ till kemoterapi, som dödar både friska och sjuka celler, vilket resulterar i biverkningar som trötthet och håravfall. Nanoskal dödar däremot bara cancerceller.
Nanoskal är bara ett av flera spännande cancerdiagnos- och behandlingsalternativ som nanoteknik möjliggör. Miqin Zhang, en materialforskare vid University of Washington i Seattle, använder sitt eget märke av nanopartiklar för att icke-invasivt diagnostisera och behandla hjärntumörer. Hon kallar sina skapelser för smarta superparamagnetiska nanopartikelkonjugat. När de injiceras i blodomloppet riktar sig dessa partiklar mot tumörernas cellreceptorer med medel som kallas ligander.
Zhangs nanopartiklar är gjorda av järnoxid, som blir särskilt magnetisk när den placeras i ett magnetfält som de som används för magnetisk resonanstomografi. Partiklarna förstärker därför signalen som tumörer avger under en MRT, vilket gör dem lättare att lokalisera i tidigare utvecklingsstadier. Men nanopartiklar måste cirkulera tillräckligt länge för att lokalisera tumörceller. Zhang fann i tidiga försök att de snabbt attackerades och neutraliserades av antikroppar som kallas mikrofager. Så hon modifierade dem med en polymerbeläggning som motstår mikrofager. När nanopartiklarna hittar tumörer frigör de ett bifogat läkemedel som kallas metotrexat, som dödar cellen.
Nanopartiklarna, som är mindre än 20 nanometer i diameter, måste förbli åtskilda från andra för att göra sitt jobb. Aggregerade nanopartiklar blir giftiga för frisk vävnad, förklarar Zhang. Partiklarnas ringa storlek och deras förmåga att tränga igenom vävnad låter dem passera genom det som kallas blod-hjärnbarriären och nå hjärntumörer. Zhang säger att detta är nyckeln eftersom 98 procent av cancerläkemedlen inte kan göra det.
Zhangs kombination av komplementära kemikalier undanröjer behovet av biopsier vid diagnos och operationer vid behandling och hjälper till vid tidig upptäckt av cancer. Men enligt Mauro Ferrari, professor i biomedicinsk teknik vid Ohio State University och specialist på biomedicinska tillämpningar av nanoteknologi, kan Zhangs arbete också hjälpa oss att bättre se cancerns anatomiska konturer. Och enligt Zhang låter läkare bestämma konturerna av en tumör att bedöma huruvida en cancerterapi är effektiv hos människor inom några dagar snarare än den nuvarande standarden på tre månader.
Zhangs forskning ger oss också information om cancermolekylärt uttryck och dess tidsutveckling, tillägger Ferrari. Ett avgörande problem inom cancerforskningen, förklarar han, är att cancercellers receptorer i olika utvecklingsstadier har olika molekylärt uttryck; det är därför som cancerceller i ett tidigt stadium lätt kan ta upp ett effektivt läkemedel; med cancerceller i senare stadier kan upptaget av läkemedlet inte vara framgångsrikt. Zhangs forskning, säger han, kan hjälpa oss att få rätt droger till rätt personer vid rätt tidpunkt.
Nanoteknik levererar också nya instrument för att undersöka cancer, vilket potentiellt kan ge nya insikter. Adam T. Woolley, biträdande professor i kemi och biokemi vid Brigham Young University, har skapat en metod för att undersöka mutationer i DNA för att fastställa en persons genetiska predisposition för att utveckla cancer. Han använder en teknik som kallas atomkraftsmikroskopi (AFM), en variation i nanoskala på gamla skivspelare - men med en nålspets bara cirka 10 nanometer tvärs över. Woolley avsätter först DNA-molekyler på kisel eller glimmer, vars ytor är så plana att DNA:t sticker ut ovanför dem. Sedan, förklarar han, använder han AFM för att undersöka topografin av DNA:t för att lokalisera positionerna för mutationer i det.
Skillnaden i storlek mellan de inhemska och muterade sekvenserna av DNA är extremt liten - ungefär en tiondel av en nanometer - vilket är på gränsen för vad AFM kan se, säger Woolley. Så han använder guldnanopartiklar på cirka 10 nanometer för att markera mutationernas positioner - på detta sätt kan AFM lätt se dem. Genom att undersöka DNA på denna nivå kan Woolley identifiera om en dubbelmutation inträffar, vilket kan utgöra en större genetisk cancerrisk än en enda. Konventionella tekniker för att titta på kromosomer kan inte bestämma sådan information. Woolleys arbete har stor diagnostisk potential, säger Ferrari; Att identifiera de genetiska markörerna för cancer kan tillåta förebyggande innan den första tumörcellen någonsin bildas.
På grund av dess praktiska konsekvenser för kampen mot cancer har sådan forskning fångat vetenskapssamfundets uppmärksamhet i stort. Robert S. Langer, Kenneth J. Germeshausens professor i kemi- och biomedicinsk teknik vid MIT, är särskilt imponerad av Halas nanoskal. De är ett väldigt fint exempel på att tillämpa materialvetenskap på viktiga medicinska problem, säger han, och de har mycket spännande potential. Rick Kenyon, programledare vid bröstcancerforskningsprogrammet vid försvarsdepartementet, finansierar Halas forskning eftersom, säger han, nanoskal möjliggör tidigare upptäckt och tidigare förstörelse av cancerceller – vilket är precis vad alla inom cancerområdet letar efter. för.