Tekniska botemedel

Fråga inte Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, om hon är biolog eller ingenjör. För henne är frågan vid sidan om, liksom för alla andra MIT-professorer som använder verktygen från både ingenjörsvetenskap och biologi för att studera cancer. När man fokuserar på mänskliga sjukdomar finns det ingen verklig gräns mellan vetenskap och teknik och medicin, säger Bhatia, en docent som utvecklar nanopartiklar för att övervaka och behandla cancer.

Bhatia är en av många MIT-forskare som kommer att dra nytta av etableringen av det nya David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. I höstas gav David H. Koch '62, SM '63, MIT 100 miljoner dollar för att finansiera forskning som sammanför biologiska och tekniska metoder för att bekämpa cancer. Koch-institutet kommer att bygga på det banbrytande arbetet från MIT:s Center for Cancer Research; centrets fakultetsmedlemmar (tillsammans med 10 MIT-ingenjörsprofessorer hittills) har blivit dess grundande medlemmar. Kochs gåva kommer också att påskynda byggandet av en ny cancerforskningsanläggning, som tar mark i mars och är planerad att öppna 2010.

Att ta in folk från andra discipliner är viktigt i kampen mot cancer, säger Koch Institutes direktör och biologiprofessor Tyler Jacks, som ledde Center for Cancer Research. Vi har de bästa ingenjörerna i världen, så vår arbetsstyrka är oöverträffad.

Jacks säger att att se cancer som ett tekniskt problem – en relativt ny idé – främjar nya tillvägagångssätt för grundforskning och nya sätt att lösa praktiska problem. På grundforskningsfronten innebär det att man tillämpar teknikens tankesätt och verktyg: att se på celler som komplexa system och att utnyttja datormodeller som kan ge mening för stora mängder data. På den tillämpade sidan innebär det att man utvecklar nya läkemedel, nya material för att leverera läkemedel och nya anordningar för att övervaka sjukdomsprogression.

Många MIT-cancerforskare hade redan antagit detta tillvägagångssätt under de senaste fem åren eller så, säger Jacks, och inflödet av finansiering och institutionellt stöd kommer att se till att deras projekt blomstrar.

Det finns en gammaldags konstgjordhet i idén om 'ingenjörer' och 'biologer', säger Dane Wittrup, professor i kemiteknik och bioteknik och medlem av Koch-institutet. För att åstadkomma något inom det biomedicinska området, säger han, måste ingenjörer ha biologi i sina labb och i sina hjärnor.

Bhatia, som har en MD utöver sina MIT-examen, håller med. Biologer och ingenjörer har kompletterande färdigheter; idéer flödar åt båda hållen, vilket är det som gör att arbeta inom båda områdena så spännande, säger hon: Vi ser många ofta oväntade exempel på att ingenjörskonst möjliggör vetenskap genom verktygsutveckling, och att vetenskap genom teknik översätts till diagnostik och terapi.

Här är tre projekt vid MIT som illustrerar hur sammanslagning av ingenjörsvetenskap och biologi kan hjälpa forskare att förstå – och i slutändan bota – cancer.

Tappning Evolution
Dane Wittrup är en proteiningenjör. Han tar cancerterapier och försöker få dem att fungera bättre, med färre biverkningar, genom en kombination av tur och design.

Wittrup gör högpresterande antikroppsterapier som mobiliserar immunförsvaret mot cancerceller, som trivs eftersom kroppen inte känner igen dem som maligna. Klassiska kemoterapiläkemedel är gifter med svåra biverkningar, säger han. Ett antikroppsprotein har å andra sidan i allmänhet färre biverkningar eftersom det binder till ett visst mål, såsom ett tumörantigen. Immunsystemet ser att [en cell] har antikroppar överallt och svarar: 'Den är belagd med antikroppar, så jag kommer att döda den', säger han.

För att göra bättre presterande proteinterapier använder Wittrup vad som kallas riktad evolution. Du tappar den darwinistiska evolutionen och sätter själv reglerna för överlevnad, säger han. Först skapar han tiotals miljoner muterade versioner av genen för ett visst protein och infogar varje gen i en jästcell. Sedan använder han olika screeningtekniker för att identifiera de jästceller som bär den bästa versionen av proteinet. Detta kan vara det protein som binder starkast till ett givet mål eller det protein som är mest stabilt i ett visst temperaturintervall, bland många andra möjligheter. Wittrup säger att proteiningenjörer har förfinat riktad evolution till den grad att de kan använda den för att göra vilka proteiner de vill. Nu, istället för att bara arbeta på nya verktyg för att designa proteiner, använder han sådana verktyg för att göra proteiner som kan hjälpa till att behandla cancer.

Att designa proteiner är inte det svåra längre, säger han. Det som är svårare och mer intressant är att bestämma vilka proteiner man ska arbeta med, vad de gör och hur.

Att bara förbättra en av ett proteins viktiga egenskaper är ofta inte tillräckligt för att förbättra dess prestanda som läkemedel. De flesta människor är ganska naiva om vad som krävs för att göra en drog potent, säger Wittrup. Det naiva tillvägagångssättet, som han säger att han har gjort sig skyldig till, är att testa terapeutiska proteiner endast för hur hårt de binder till sitt cancermål; men sådana tester, säger han, förutsätter att affinitet är lika med potens. De genomförs helt ur sitt sammanhang, i en droppe cellodlingslösning i en plastplatta – utanför kroppen, utanför tumörerna cellerna kom ifrån.

Wittrup lärde sig sin läxa den hårda vägen. Han använde riktad evolution i ett försök att förbättra prestandan hos en antikropp mot karcinoembryonalt antigen (CEA), ett protein som finns i överflöd på ytan av vissa tumörer. Den CEA-bindande antikroppen som han började med faller av cellen och filtreras bort från blodet innan den kan ge ett starkt immunsvar. Så han utvecklade en version som band mycket starkare till proteiner på ytan av cancerceller. Bindningsstyrkan för hans konstruerade antikropp var två storleksordningar större än den för någon annan antikropp känd vid den tiden; av allt att döma verkade det vara en stor framgång. Men när han testade det på levande möss som bär på mänsklig tjocktarmscancer, fungerade det inte bättre än originalet. Hur kan detta vara?

För att återvända till ingenjörsverktygen, anpassade Wittrup och hans studenter matematiska modeller som normalt används för att studera industriella katalysatorer för att undersöka kinetiken för hans CEA-bindande protein i tumörer. Hos levande möss kasserades den konstruerade antikroppen fortfarande för snabbt - i det här fallet för att den återvanns innan den hann nå mitten av en tumör. Proteiner cirkulerar ganska snabbt genom alla celler, normala och cancerösa, och förblir vanligtvis intakta bara i minuter eller timmar. De skärs upp i mindre bitar så att de kan återanvändas i nya proteiner. Det är en del av normalt cellunderhåll; precis som ditt hem skulle vara en soptipp om du aldrig tog ut soporna, skulle cellerna bli överväldigade om de höll fast vid varje molekyl de någonsin gjort eller tagit in.

Även om bindningen varar en vecka spelar det ingen roll, säger Wittrup. Allt går ner i sophanteringen.

Genom att använda sina modeller och arbeta med bildbehandlingsspecialister för att se hur hans protein utvecklas genom levande möss, försöker Wittrup nu modifiera proteinet så att det diffunderar genom tumören för snabbt för att tumörceller ska kunna göra sig av med det i tid. Men den CEA-riktade antikroppen är bara en av många terapier han utvecklar. En annan är en säkrare version av ett giftigt läkemedel mot njurcancer och melanom, som han arbetar på tillsammans med en kollega från Koch-institutet, immunologen Jianzhu Chen.

Vi vet inte allt om cancer, säger Wittrup. Men han tillägger att vi vet tillräckligt för att göra mer för att utveckla nya terapier. Talat som en ingenjör.

Celler som system
Folk säger att cancer uppstår från någon form av oreglering av cellfunktion, säger Douglas Lauffenburger, chef för MIT:s Biological Engineering Division och en ansluten Koch Institute-fakultetsmedlem. Så han tar ett tekniskt förhållningssätt till frågan om hur cellfunktioner regleras. Hans svar kan hjälpa forskare att förutsäga om ett givet läkemedel kommer att fungera.

Human Genome Project har lett biologer till den olyckliga slutsatsen att det inte finns någon enkel förklaring till hur gener interagerar och hur dessa interaktioner får celler att röra sig, växa och dö. Istället, säger Lauffenburger, varnade det alla för hur komplext det här skulle bli. Forskare hade hoppats kunna ta itu med sjukdomar, inklusive cancer, genom att spåra dem till enskilda proteiner eller gener som de kunde fixa med en magisk kula. Men genomanalys tyder på att cellfunktioner regleras av massor av gener, massor av proteiner som interagerar.

Inte bara verkar varje cellfunktion påverkas av många gener, men forskare tror nu att varje given funktion kan vara resultatet av många olika molekylära vägar. Precis som vissa flygplan har fler motorer än de behöver, har celler inbyggd redundans. Om ett läkemedel stör ett protein som hjälper en cancercell att dela sig, kan cellen använda sig av fyra eller fem fler vägar.

Komplexiteten i dessa regulatoriska nätverk gör det mycket svårt att förutsäga vad ett läkemedel kommer att göra, säger Lauffenburger. Som ett resultat är läkemedelsutveckling helt och hållet försök och misstag – och extremt ineffektivt och kostsamt. Forskare testar otaliga föreningar för att nollställa de som lovar. Ju tidigare en ineffektiv substans kan tas ur drift, desto lägre blir kostnaderna för läkemedelsutveckling. Så i ett tillvägagångssätt som kallas system eller nätverksbiologi, tittar Lauffenburger och andra på celler som komplexa system och bygger datorprogram som kan bearbeta stora mängder data om biomolekylära interaktioner. Lauffenburger kartlägger hur proteiner interagerar och visar hur dessa interaktioner påverkar cellfunktioner, inklusive tillväxt. Med sådana modeller hoppas han och andra kunna förutsäga hur läkemedel kommer att påverka celler biokemiskt och i sin tur hur de kommer att påverka cellfunktionen.

Lauffenburger använde nyligen detta tillvägagångssätt för att förutsäga effekten av ett visst läkemedel på epiteliala cancerceller, en klass av celler som inkluderar de som är involverade i cancer i tjocktarmen, bröstet, livmoderhalsen och huden. Läkemedlet hämmar en väg som förhindrar celldöd. Denna väg är aktiv i nästan alla epiteliala cancerformer, så en forskare som bara överväger en väg åt gången skulle förvänta sig att läkemedlet dödar flera typer av cancerceller. Men det visar sig att det inte gör det. Medan läkemedlet ökar dödstalet för tjocktarmscancerceller, ökar det inte antalet bröst- eller livmoderhalscancerceller, som har flera andra vägar att falla tillbaka på. Lauffenburgers kartor över proteininteraktioner fastställde hur summan av fem vägar fungerar tillsammans för att styra celldöd, säger han.

Det är dock oklart hur brett tillämpliga Lauffenburgers modeller kommer att vara. Han markerar de många frågor som återstår: Kommer en modell av proteininteraktioner i en epitelial cancercell att behöva många modifieringar innan den kan tillämpas på andra typer av cancerceller? Vilka är de bästa typerna av mätningar att mata in i dessa modeller? Och viktigast av allt, kan modellerna hjälpa forskare att avslöja varför ett läkemedel fungerar för vissa patienter och inte andra? Han driver för närvarande samarbeten med läkemedelsföretagen Pfizer, AstraZeneca och Merrimack Pharmaceuticals för att utveckla modeller för att testa nya läkemedel.

Mer allmänt förändrar arbetet av Lauffenburger och andra nätverksbiologer hur biologer ser på cancer. Det finns ingen magisk molekyl, säger Lauffenburger – inget enkelt, enda mål att identifiera som kommer att vara nyckeln till att behandla sjukdomen. Men att se på cancerceller som komplexa system som gått snett, och fokusera på vad han kallar de faktiska aktiviteterna för deras proteiner, leder till en ny förståelse för hur cellerna fungerar.

Fjärrstyrda droger
Idag är det enda sättet för läkare att verifiera att cancerläkemedel når sina mål att utföra magnetisk resonanstomografi (MRI) efter veckors behandling för att se om patienternas tumörer har krympt. Sangeeta Bhatia, docent i elektroteknik och datavetenskap vid avdelningen för hälsovetenskap och teknik och medlem av Koch Institute, utvecklar multifunktionella nanopartiklar som hon hoppas ska förkorta denna process, minska biverkningarna av kemoterapi och göra behandling mer effektivt.

Bhatias föreningar fungerar som exakta droger och MRT-kontrastmedel; de nollställer tumörblodkärl och, när de väl är där, drar de till sig fler nanopartiklar. Nyligen utvecklade hon ett sätt att få dem att släppa sina nyttolaster på kommando när de värms upp av lågfrekventa elektromagnetiska vågor som appliceras från utsidan av kroppen.

Nanopartiklarna är järnoxidsfärer bundna till tumörinriktade peptider och DNA-strängar. DNA:t är i sin tur bundet till läkemedel som cisplatin, ett kemoterapimedel. När järnoxidkärnorna värms upp av radiofrekvensvågorna (som inte påverkar kroppens vävnader), smälter DNA:t: strängarna i den dubbla helixen separeras, vilket frigör läkemedlet.

Temperaturen vid vilken en DNA-sträng smälter beror på strängens längd, vilket gör nanopartiklarna ännu mer mångsidiga. Läkare kunde administrera en cocktail av partiklar utformade för att frigöra sina läkemedel vid olika temperaturer, och sedan aktivera flera doser sekventiellt genom att applicera olika radiofrekvenser. Dessutom skulle patienten inte behöva komma in för bildbehandling, sedan kemoterapi, sedan upprepade skanningar, säger Bhatia. Eftersom järnoxiden fungerar som kontrastmedel, skulle MRT-skanningar som administreras vid behandlingstillfället kunna verifiera att ett läkemedel hade nått den tumör som det riktade sig till.

Andra grupper arbetar också med att använda nanopartiklar för riktad kemoterapi. Men antingen är deras tekniker passiva – läkemedelsfrisättning kan inte kontrolleras utan sker över tid – eller så har de inte fungerat särskilt bra. Bhatia visade dock sina fjärrstyrda nanopartiklar i möss som hade inplanterade modelltumörer gjorda av gel. Radiofrekvenser som applicerades utifrån mössen utlöste frisättningen av modellläkemedel som penetrerade omgivande vävnad.

Bhatia har arbetat med dessa nanopartiklar i flera år, i samarbete med Erkki Ruoslahti, en biologiprofessor vid University of California, Santa Barbara, som är expert på tumörmiljön, och med Michael Sailor, en kemiprofessor vid University of California , San Diego.

Nu, i samarbete med MIT-institutets professor Phillip Sharp, hoppas hon kunna använda partiklarna för att leverera RNA-interferensterapier, som visar mycket lovande men som ännu inte lever upp till sin potential. Vid RNA-interferens hindrar speciellt utformade sekvenser av RNA uttrycket av särskilda gener. Företag som Alnylam hoppas kunna utnyttja processen för att terapeutiskt stänga ner sjukdomsgener, men leverans är fortfarande ett kritiskt viktigt problem att lösa, säger Sharp, en nobelprisbelönt biolog och en av Alnylams grundare. I den teknik som Bhatia arbetar med skulle nanopartiklarna bindas till RNA-strängar istället för DNA; snarare än att bära en drog, förklarar hon, skulle RNA självt vara drogen.

Bhatia säger att den stora fördelen med hennes nanopartiklar är att de kan integrera upptäckt och terapi. Läkare som behandlar diabetes och hjärtsjukdomar kan redan implantera glukospumpar och defibrillatorer som inte bara ger behandling utan övervakar resultaten och justerar behandlingen efter behov. På liknande sätt, hoppas Bhatia, kommer nanopartiklarna att göra det möjligt för läkare att snabbare bedöma om kemoterapi fungerar och modifiera den om den inte är det – lindra stress och rädda liv.

Dölj