Нанотехнології - лікар у крові - здоров’я

Актуальні новини в Süddeutsche Zeitung

Панель приладів

економіка

Мюнхен

Культура

суспільство

Знання

Нанотехнології: лікар у крові

Наномедики розробляють крихітні пристрої, які орієнтуються в крові пацієнта.
Вони призначені для випуску ліків там, де вони потрібні.
Це може бути особливо корисно в боротьбі з пухлинами, тромбами або захворюваннями сітківки.

Крістіан Дж. Мейєр

Ідея давня, ще в 1966 році в голлівудському фільмі "Фантастична подорож" зморщена підводний човен та його екіпаж рухалися по венах пацієнта. Це повинно лазерно вивести непрацездатний згусток крові в його мозок. Новим є те, що вже кілька років лікарі та інженери насправді хочуть реалізувати такі бачення, наприклад, в лабораторії університетської лікарні в Ерлангені. Це не зовсім схоже на майстерню з медичного бачення, більше схоже на цілком звичайну процедурну кімнату: кушетку для пацієнтів, масивний апарат та монітори, на яких видно рентгенівські промені кровообігу.

Тут лікар Крістоф Алексіу працює над крихітними істотами, які повинні ліквідувати хвороби зсередини. "Я хочу донести це до пацієнта", - каже завідувач відділу експериментальної онкології та наномедицини. За кілька років він хотів би знищити пухлини в клінічних випробуваннях за допомогою якоїсь керованої зброї розміром з вірус. Команда Ерлангена також націлена на атеросклероз та сепсис.

"Хірургія залишатиметься золотим стандартом у лікуванні раку", - говорить Алексіу. Однак пухлини не завжди можна видалити за допомогою скальпеля, наприклад, тому що вони знаходяться в головному мозку. Препарати проти раку, що вводяться в кров, досягають вогнища захворювання. Але лише незначна його частина. Більша частина його розподіляється по всьому тілу. Тому хіміотерапія часто має масивні побічні ефекти.

Дослідники створили робота розміром лише кілька міліметрів, який повинен рухатися навколо людського тіла. Там він міг транспортувати наркотики або спалювати клітини пухлини.

Доповідь Яна Швенкенбехера, Штутгарт

Цей підхід з рушниці турбував першопрохідця медицини Пола Ерліха ще в 1907 році. Він хотів "кинути чарівні кулі, які потрапили лише на збудника". На той час це був далекий сон. Лише майже через 80 років американський інженер Ерік Дрекслер запланував роботів розміром з білі кров’яні клітини. Бортовий комп'ютер повинен керувати цими "машинами для ремонту клітин" через кров, використовувати датчики для виявлення вогнищ захворювання, наприклад, відкладення в крихітній судині мозку, і видаляти його за допомогою інструментів розміром не більше молекули. Цей проект також залишився баченням.

"Замість того, щоб оснащувати машину інтелектом, ми використовуємо логіку біології".

Це правда, що сьогодні дослідники створюють накопичувачі, датчики або робототехнічні пристрої, які настільки крихітні, що для них рідина всередині клітини нагадує озеро, що купається. Але бортового комп'ютера розміром у кілька нанометрів (мільйонні частки міліметра), який міг би управляти складним пристроєм, складеним з таких компонентів, досі не видно. Але сучасні дослідники вже не покладаються на зменшення роботів до нанорозмірів. Це здається їм занадто громіздким.

"Ми хочемо значно зменшити складність", - говорить Фолькер Майлендер, лікар і науковець з Медичного центру університету Майнца та тамтешнього Інституту досліджень полімерів імені Макса Планка. Це єдиний спосіб впровадити технологію в повсякденну клінічну практику в найближчому майбутньому. Підхід, який застосувала команда під керівництвом Майлендера та хіміка Катаріни Ландфестер, тим не менш складний: дослідники наповнюють крихітні пластикові капсули препаратом від раку і вводять їх в організм. Потім наночастинки повинні самі знаходити ракові клітини.

Для цього команда покриває частинки так званими антитілами. Кожна з цих молекул нагадує ключ. Відповідний замок - це білок, який лише клітини пухлини несуть на своїй поверхні. Якщо дві біомолекули випадково зустрічаються, вони поєднуються. Частинка досягла місця призначення, проникає в ракову клітину і випускає туди свій смертельний вантаж. Це трохи нагадує "магічні сфери" Пола Ерліха, оскільки наночастинки пропливають повз здорові клітини. Фолькер Майлендер підсумовує тактику: "Замість того, щоб обладнати машину інтелектом, наші частинки використовують логіку біології".

На згусток падають ліки

Це захоплююча ідея, але така, яка може бути реалізована лише з копіткою деталізацією. Наприклад, команда Майнца досліджувала протягом шести років, щоб подолати лише одну з багатьох перешкод. Однією з проблем було те, що білки в крові лежали над наночастинками і таким чином покривали більшість антитіл - датчиків раку. Більшість частинок безцільно блукають по тілу. Потім дослідники виявили, що багато Y-подібних антитіл не були прикріплені до частинки вертикально на своєму "стеблі", а навпаки, лежали поперек. Вони вертикально виступали б з білкової оболонки. Лише за допомогою декількох хитрощів вченим Майнца вдалося підняти більшість антитіл; тепер білки вже не втручаються. Наномедицини незабаром будуть випробувані в експериментах на тваринах.

Але наномедики хочуть не просто боротися з раком. Інші хвороби також надсилають сигнали, які можуть відчути прості нано-підводні човни. Дослідники, що працюють з Дональдом Інгбером з Гарвардського університету в Бостоні, розробили тип датчика пробок, який показує звуження в судинах. Тромби викликають інсульти, інфаркти або емболії легеневої артерії. Є ліки, так звані тромболітики, які можуть їх розчинити. Але ці речовини іноді мають серйозні побічні ефекти, такі як мозкові крововиливи. Тож лікарі шукають ліки, які діють безпосередньо на пробку. Тому дослідники з Бостона покривали наночастинки молочної кислоти тромболітичним агентом. Це створює пухкі грудочки, які пливуть по крові, як вологі, відносно тендітні кульки піску.

Структура може бути великою лише для того, щоб бути включеною в область нанотехнологій, нанометр - це мільярдна частина метра. У цьому порядку величини властивості поверхні стають більш важливими. Вже існують покриття, які самі очищаються (ефект лотоса) або, наприклад, дозволяють кетчупу текти краще.

Кровотік прискорюється на вузьких ділянках. Це тягне за собою грудочки частинок, вони натираються між пальцями, як піщані кульки. Окремі наночастинки падають на пробку, і активні інгредієнти можуть робити свою роботу. В експерименті на тваринах команда Інгбера показала, що їх мобільний прилад для вимірювання тиску спеціально розчиняє тромби. Оскільки для цього було достатньо лише тисячної частки звичайної дози, небезпечні побічні ефекти менш вірогідні. Ось чому нанопрепарати можна вводити на місці надзвичайної ситуації, а не в клініці без особливого занепокоєння, каже Інгбер, - можливо, рятувальний виграш у часі.

У порівнянні зі справжнім підводним човном, наночастинки, які розпізнають свою ціль, не дуже незалежні. Без приводу чи рульового керування вони розподіляються по тілу, і лише крихітна частина припливає до джерела хвороби. Посилений ефект у порівнянні з класичною хіміотерапією пояснюється тим, що кожна частинка несе велику кількість активного інгредієнта: цілу вантажівку, доставлену замість лише однієї упаковки. "Ми віримо, що можемо подвоїти дозу для пухлини", - каже Майлендер. Але навіть тоді лише кілька відсотків загальної дози досягають своєї мети. Якби лікарі знали точне розташування метастазів раку або згустків крові, вони змогли б забезпечити ще більш цілеспрямовану терапію. Однак тоді вам знадобляться накопичувач і контролер для нано-агентів.

Але дослідники вже працюють над такими проектами, наприклад, в Інституті інтелектуальних систем Макса Планка (MPI-IS) у Штутгарті. Вони також базуються на прикладі природи, оскільки ще ніхто не зміг виготовити класичний корабельний гвинт у нанорозмірах. Однією з їх ідей було імітувати мідії, що веслують по воді, симетрично відкриваючи і закриваючи свої черепашки і ковзаючи по воді між ними.

Таблетка, яка іскриться у шлунку, - це лише початок. Невдовзі крихітні роботи могли спостерігати і лікувати навіть найвіддаленіші куточки людського тіла.

Від Губертуса Бройера

Насправді вченим вдалося побудувати такий мікроскопічний поплавок. На жаль, він не ковзає в більшості рідин - для нього вода або кров такі ж жорсткі, як мед. Закривши це зробить крок вперед, відкривши - один назад. Можливе використання спеціальних середовищ, наприклад, у синовіальній рідині. Тому що тут працює хитрість: дослідники контролюють оболонки мідій так, щоб вони швидко відкривалися і повільно закривались. Це робить рідину рідшою.

Як альтернативу мідіям, дослідники використовують певні бактерії як моделі. Вони прокручують рідини за допомогою штопора, як бич. Крихітні штопори можна виготовити за допомогою нанотехнологій, обпалюючи обертовий диск з атомами. Магніт обертає гвинти. Тянь Цю з MPI-IS виявила, що розмір насправді має значення. Фізик хотів направити такий транспортний засіб через очне яблуко мертвої свині.

Передумови: Під час лікування дегенерації жовтої плями лікарі хочуть якомога конкретніше націлити сітківку на наркотики. Перша версія мікроплавця потрапила в мережу білкових ниток, які пронизували воду в очному яблуці. "Нам довелося зробити поплавці ще меншими, щоб вони могли прослизнути через сітку", - говорить Цю. Нові плавці прямували до сітківки ока і зустрічали її. Однак експеримент є лише доказом того, що технологія може працювати в принципі. Крім того, складна технологія виготовлення вже забороняє широке використання в клініках.

Значення рН зростає поблизу пухлин. Це можна використовувати для навігації

Гвинт черпає свою енергію зовні - від магніту, який його обертає. Інші дослідники намагаються зробити свої нано-підводні човни енергетично самодостатніми. "Мікроракети" забирають паливо безпосередньо з рідини, через яку вони плавають. Конічна трубка покрита каталізатором, який перетворює хімічну сполуку з навколишнього середовища. Утворені бульбашки витікають із широкого кінця і рухають ракету із віддачею. Найменший снаряд цього виду такий же крихітний, як вірус.

Подібно до бактерій, такі нано-підводні човни повинні орієнтуватися на сигнали навколишнього середовища: гравітацію, наприклад, або збільшення яскравості. Хвороби також надсилають хімічні повідомлення; наприклад, значення рН зростає поблизу пухлин. На свіжополаманих кістках створюється електричне поле, яке притягує електрично заряджені наночастинки, як було показано в пробірці.

Лікарі використовують рентген судин як своєрідну дорожню карту тіла

Подібні основні дослідження ще далекі від того, щоб застосовуватись у пацієнтів. Інший підхід, над яким працює Крістоф Алексіу з Ерлангена, можливо, трохи ближчий до практики. У хімічній лабораторії свого відділу член команди показує, як легко можна направляти наночастинки. Він тримає в руці пробірку, що містить два шари рідини: червоно-іржавий знизу і прозорий зверху. Дослідник тримає магніт у нижній частині і веде його вздовж скляної стінки. Червона рідина повзе по стіні. Вони є магнітними наночастинками, які слідують за магнітним полем.

Такі частинки вже використовуються як контрастні речовини при пошуку метастазів. Однак команда Алексіу хоче використовувати його як засіб для лікування ракових захворювань. Поруч із ліжком для пацієнта в сусідній лабораторії, на якій експерименти проводились лише на кроликах та пожертвах на тіла, є регульований електромагніт: привід та рульове управління для нано-підводних човнів Alexious. "Ми вводимо частинки, близькі до пухлини", - пояснює лікар. Потім дослідники використовують силу електромагніту, щоб втягнути їх у судини пухлини. Це пояснюється тим, що вони мають трохи більші пори в стінках, ніж звичайні вени. Частинки ковзають крізь них у зростаючу тканину і скидають свій смертельний вантаж.

Кілька нових хірургічних машин збираються використовувати на людях. Ви можете працювати в обмеженому просторі і з декількома руками одночасно. Але вони також приносять користь пацієнтам?

Від Бориса Хенслера

Завдяки керуванню, більше 60 відсотків введеного активного інгредієнта потрапляє в пухлину, як показали тести на кроликах. Через вісім тижнів рак зник майже у третини тварин. Доза препарату від раку була в 20 разів нижча, ніж при звичайній терапії.

Для поліпшення наведення маршруту дослідники роблять рентгенівське зображення судин, яке вони використовують як дорожню карту. "Ми використовуємо катетер, щоб довести частинки до ідеального місця, щоб перенести їх за допомогою магніту", - пояснює Алексіу. Таким чином вони хочуть уникнути неправильного повороту частинок і пропущення пухлини. Крім того, нова рука робота повинна направляти магніт з більшою точністю. "Таким чином ми сподіваємось, що зможемо ще сильніше концентрувати частинки в пухлині", - говорить Алексіу. Відкритим питанням є те, як наночастинки можуть бути спрямовані в пухлини глибоко в організмі. Оскільки магнітне поле слабшає з віддаленням від магніту. Змінюючи форму магніту, дослідники хочуть сконцентрувати поле більше, щоб воно проникало глибше. Через три роки вчені сподіваються провести перші клінічні тести на пацієнтах.

Тож «фантастична подорож» людським тілом могла відбутися незабаром. Дослідники не вірять, що побоювання щодо токсичності наночастинок запобігають цьому. "Наночастинки оксиду заліза добре переносяться", - говорить Алексіу. Організм використовує речовину. Фолькер Майлендер також заспокоює: "Ми виробляємо частинки з речовин, які організм може виділити".

Зрештою, терапія не повинна закінчуватися так, як це було у згаданому вище голлівудському фільмі. При цьому підводні хірурги випадково залишили члена екіпажу та зморщену підводний човен в тілі пацієнта.