Miniaturowi snajperzy

Światowa Organizacja Zdrowia podaje, że co roku u 14 mln ludzi diagnozuje się chorobę nowotworową, a ok. 8 mln pacjentów umiera z jej powodu. Trwa walka z czasem, a zespoły badaczy na całym świecie pracują nad wynalezieniem skuteczniejszych metod leczenia. Nowoczesne technologie oparte na miniaturyzacji doprowadziły do powstania produktów w skali nano. W ten sposób do gry weszły nanocząstki – struktury tysiąckrotnie mniejsze od średnicy włosa (w porównaniu z nimi wirusy i bakterie to prawdziwi giganci), które mają szansę zmienić oblicze współczesnej medycyny.

Zabójcze pakunki

Tak można powiedzieć o klatkach z DNA zaprojektowanych przez Daniela Andersona z Massachusetts Institute of Technology. Są one w stanie dopaść i zniszczyć komórki nowotworowe dzięki umieszczonemu w ich wnętrzu ładunkowi – krótkim cząsteczkom RNA, tzw. siRNA. Aby całość trafiła do komórek nowotworowych, klatkę zaopatrzono w kwas foliowy. Jego receptor występuje w dużej ilości na błonie komórek nowotworowych. Wyniki okazały się zdumiewające. SiRNA uniemożliwiło produkcję białka potrzebnego komórkom guza do przetrwania. Nanocząstki gromadziły się tylko w obrębie patologicznej zmiany i ograniczyły jej dalszy wzrost. Za pomocą siRNA można unieszkodliwić dowolne białko nowotworowe, lecz niestety takich białkowych celów w komórkach nowotworowych jest całkiem sporo. Na razie badania znajdują się w fazie eksperymentalnej, a od rutynowej praktyki klinicznej dzielą nas jeszcze lata.

Innym pomysłem na zabójczy pakunek są liposomy. Składają się one ze związków wchodzących w skład naszych błon komórkowych – lipidów, które w fizjologicznej temperaturze ok. 37°C tworzą pęcherzyk. Okazuje się, że te niewielkie struktury mogą działać jak nanogranaty atakujące komórki nowotworu. W przypadku wzrostu temperatury, np. do 42°C, tracą integralność i uwalniają ładunek zamknięty we wnętrzu. Naukowcy z University of Manchester sprawdzili użyteczność tych struktur w walce ze złośliwym nowotworem skóry – czerniakiem. W tym celu podali myszom w miejsce zmiany liposomy wypełnione toksycznym dla guza lekiem. Przyłożony w okolicę chorej tkanki termofor podnosił jej temperaturę. Okazało się, że w porównaniu z tradycyjną metodą terapii, w której specyfik podaje się dożylnie, myszy leczone liposomami żyły dłużej, a do guza trafiała znacznie większa dawka terapeutyku. Liposom ulega też aktywacji w mikrośrodowisku guza o niskim pH. Pęcherzyk się rozpada i lek wydostaje się na zewnątrz.

Liposomy są już wykorzystywane w leczeniu ludzi. FDA (amerykańska Agencja Żywności i Leków) dopuściła do obrotu dwa rodzaje medykamentów na białaczkę dostarczanych za pomocą liposomów – doksorubicynę (Doxil) oraz daunorubicynę (DaunoXome).

Lecznicze złoto i żelazo

Angiogeneza to proces powstawania nowych naczyń krwionośnych. Niestety, „karmi” ona również nowotwór – naczynia zaopatrują go w tlen i substancje odżywcze, umożliwiając jego rozwój. Dlatego zablokowanie angiogenezy ma szansę powstrzymać przerzuty i wydłużyć życie chorym. Co z tym wszystkim wspólnego mają cząsteczki złota? Okazuje się, że są w stanie zmieniać aktywność genów odpowiedzialnych za tworzenie nowych naczyń krwionośnych, dzięki czemu guz „głoduje” i jego rozwój zostaje znacznie powstrzymany.

Nanocząstki złota można też otoczyć kwasami nukleinowymi, w tym DNA. Z łatwością wnikają one wtedy do komórek i wpływają na geny. Co ciekawe, potrafią też pokonać barierę krew–mózg oraz przeniknąć przez skórę. Nie wywołują przy tym odpowiedzi immunologicznej i stosunkowo długo utrzymują się w organizmie. Skuteczność takich struktur wykazano m.in. w leczeniu raka mózgu.

Przydatne w walce z nowotworami są także nanocząstki tlenku żelaza. Naukowcy z amerykańskiego Dartmouth-Hitchcock Norris Cotton Cancer Center najpierw wstrzyknęli je myszom bezpośrednio do guza, a następnie poddali zwierzęta działaniu zmiennego pola magnetycznego. Zgromadzone miejscowo nanocząstki ogrzały tkankę do 43°C, co aktywowało komórki układu odpornościowego. Wśród nich były komórki dendrytyczne, które rozpoznają patogeny (np. bakterie) w organizmie i przekazują tę informację dalej, w wyniku czego powstają odpowiednie przeciwciała do zwalczenia intruza. Co ważne, komórki układu odpornościowego wnikliwie patrolowały cały organizm, a nie tylko miejsce podania cząstek. Skutecznie odnalazły także przerzuty.

Precyzyjne namierzanie

Aptamery to krótkie jednoniciowe cząsteczki kwasu nukleinowego DNA lub RNA, które mogą precyzyjnie rozpoznawać różne biomolekuły, umożliwiając skuteczną i celowaną terapię. Da się przyłączyć do nich leki, toksyny czy fotoczułe cząsteczki. Aptamer sprzężono np. z doksorubicyną, stosowaną w terapii białaczek. Wnika ona między elementy łańcucha DNA, uniemożliwiając komórkom podziały, ma wysoką skuteczność, ale niestety wywołuje szereg niepożądanych skutków ubocznych. Jednak sprzężenie jej z aptamerem powoduje podanie jej wyłącznie do komórek nowotworowych. Takie precyzyjne dostarczenie leku tylko do chorej tkanki stanowi największe wyzwanie dla naukowców i jest jednocześnie wyznacznikiem efektywności terapii. Preparaty w komercyjnej postaci podawane są choremu w dużej ilości, ponieważ tylko niewielka część z przyjętej dawki trafi do miejsca objętego zmianą. Reszta, losowo, wraz z krwiobiegiem dostanie się do zdrowych narządów i tkanek, obciążając ich metabolizm.

W podobny sposób można modyfikować nanocząstki złota, umieszczając na ich powierzchni cząsteczki aptamerów. Takich struktur użyto do detekcji krążących komórek nowotworowych, które trafiają do krwi z nowotworu już na wczesnym etapie jego powstawania. Ich liczba jest bardzo niewielka, najczęściej poniżej 10 na mililitr krwi. Dlatego do ich identyfikacji potrzebny jest niezwykle czuły biosensor. Połączenie nanocząstek z aptamerem okazało się strzałem w dziesiątkę. Dobierając rodzaj aptameru, można selektywnie rozpoznać kilka rodzajów nowotworu, w tym płuc, wątroby czy trzustki, a także stwierdzić pojawienie się bakterii chorobotwórczych. Ponadto obecność cząstek można zidentyfikować za pomocą tomografu komputerowego.

Nanopociągi i cukrowy koń trojański

W nowej technice opracowanej przez naukowców leki transportowane są na „wagonach” zbudowanych z cząsteczki DNA, a „lokomotywa” tworzona przez aptamer napędza maszynerię. W ten sposób ładunek trafia do komórki docelowej. Wytworzone przez badaczy z University of Florida nanopociągi stanowią niedrogą metodę dostarczania dużych dawek terapeutyku dokładnie do tkanki nowotworowej bez jakichkolwiek efektów ubocznych. Trójwymiarową strukturę kompleksu tworzą krótkie sekwencje DNA złączone na kształt wagonów. Aptamer z kolei wytycza szlak pociągu, kierując go dokładnie do komórek docelowych, na których powierzchni rozpoznaje specyficzny receptor błonowy. Brama otwiera się, a rozładunek następuje we wnętrzu komórek, powodując ich śmierć. Składniki takiego pociągu giną razem z komórkami i są usuwane z organizmu. Nanopociągi zaopatrzono także w sondy fluorescencyjne umożliwiające określenie ich lokalizacji. Wyniki eksperymentów na myszach okazały się bardzo obiecujące. Wzrost guza znacznie zwolnił, zwierzęta żyły dłużej i traciły na wadze mniej od osobników leczonych tradycyjnymi metodami. Dodatkowo nie wystąpiły u nich efekty uboczne.

Teraz o dendrymerach. Ich nazwa pochodzi od greckiego słowa dendron, czyli drzewo, i doskonale charakteryzuje wygląd tych struktur. Są to polimery o wielkości ok. 20 nm i trójwymiarowej, niezwykle rozgałęzionej i zbliżonej do kuli budowie. Wnętrze dendrymeru stanowi rdzeń, od którego odchodzi szereg „gałęzi”. W przestrzeniach między rozgałęzieniami lub bezpośrednio na nich można zdeponować cząsteczki leku.

Dendrymery odkryto w latach 80. i od tego czasu trwają intensywne badania nad modyfikacją ich budowy. Wszystko po to, by jak najlepiej przystosować je do walki z nowotworem. Każda komórka w naszym organizmie ma własny limit podziałów, zanim zakończy życie. Niestety komórki nowotworu wyrwały się spod tej kontroli, stając się nieśmiertelne. Polskim naukowcom udało się jednak opracować dendrymery zmuszające komórki białaczki do samobójstwa. Dzięki umieszczeniu na ich rozgałęzieniach cząsteczek cukrów wnikają one do komórek białaczkowych. Cukrowy koń trojański stymuluje mitochondria do inicjacji śmierci komórkowej. W badaniach in vitro dendrymery wykazują niezwykłą skuteczność, uśmiercając ok. 90% komórek nowotworowych.

Narzędzia diagnostyczne

W przypadku chorób nowotworowych szybka diagnoza jest podstawą. Dlatego poszukiwanie coraz lepszych metod detekcji tego typu zmian na wczesnym etapie ich powstawania jest niezwykle ważne. Najnowsze technologie skupiają się na biomarkerach nowotworowych (dających się wykryć znacznikach biologicznych), którymi są np. produkty metabolizmu komórkowego, białka błonowe, a także same komórki trafiające do krwiobiegu. Niezwykle efektywne w poszukiwaniu takich biomarkerów są nanocząstki krzemionki. Do ich wnętrza wprowadza się barwnik fluorescencyjny, umożliwiający późniejszą lokalizację cząsteczki w chorej tkance. Powierzchnię pokrywa się białkiem rozpoznającym komórki nowotworowe. Pory zaś wypełnia się pochodną porfiryny, która pod wpływem światła uaktywnia kaskadę niszczenia chorych komórek. Gdy tak zmodyfikowane cząstki wprowadzono do tkanki zmienionej nowotworowo, zlikwidowanych zostało ok. 90% komórek! Dodatkowo, na podstawie sygnału fluorescencyjnego emitowanego przez cząstki, można oszacować, jak duża jest zmiana chorobowa.

Węzły chłonne wartownicze znajdują się w bliskiej okolicy ogniska choroby. Ponieważ to w ich obrębie najczęściej zaczyna się przerzutowanie, dokładna ich obserwacja jest niezwykle istotna. Badacze z Carnegie Mellon University wymyślili więc, że użyją kropek kwantowych. Pod tą enigmatyczną nazwą kryją się półprzewodnikowe kuleczki o średnicy zaledwie kilku nanometrów. Naukowcy najpierw pokryli je polimerami, a następnie wstrzyknęli bezpośrednio do tkanki guza. Ich ruchy śledzono za pomocą analizy fluorescencji i można to było robić przez dwa lata przy całkowitym braku efektów toksycznych. Kropki niemal natychmiast, wraz z tkanką limfatyczną, opuszczały guz, ukazując skomplikowaną sieć połączeń, umożliwiającą komórkom nowotworu rozprzestrzenianie się po organizmie. Dzięki poznaniu tej drogi można z większą precyzją określić, które tkanki zostaną zaatakowane w następnej kolejności. Dodatkowo, w przypadku zabiegu chirurgicznego, można dokładnie ustalić, jaki obszar należy wyciąć.

Za i przeciw

Zanim innowacyjne metody oparte na technologii nano zaczną być rutynowo stosowane u ludzi, musi upłynąć jeszcze sporo czasu. Być może nawet kilkanaście lat. Aby wykorzystać nanocząstki w praktyce, trzeba oszacować ich dalekosiężny wpływ na organizm. Dzięki niewielkiemu rozmiarowi są niesamowicie wszędobylskie, zdolne do przenikania do tkanek i komórek. Należy więc sprawdzić, czy nie będą się w nich nadmiernie odkładać, prowadząc w konsekwencji do zaburzenia ich funkcji. Jako niezwykle reaktywne struktury mogą uaktywnić kaskady niepożądanych reakcji chemicznych lub stać się nośnikiem substancji toksycznych. I chociaż wciąż nie znamy odpowiedzi na wiele z tych pytań, naukowcy są pełni optymizmu i z zapałem pracują nad stworzeniem „inteligentnych” nanostruktur. Czas pokaże, kiedy wizja przełomu, która im przyświeca, się zrealizuje.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Biologii Eksperymentalnej