Hur nanoteknik skulle kunna upptäcka och behandla cancer

KATEGORIER: Vetenskap / Teknik / Medicin & Hälsa

Ett växande område som kallas nanoteknologi tillåter forskare att manipulera molekyler och strukturer med en storlek som är mycket mindre än en enskild cell för att förbättra förmågan att se, övervaka och förstöra cancerceller i kroppen.

2017-03-13: Tiotusentals patienter har redan fått cytostatika som levereras av nanopartiklar, så kallade liposomer, och dussintals andra metoder används för närvarande i kliniska tester. Inom de närmaste fem till tio år, kan våra kroppar största försvarare vara mindre än vi någonsin skulle kunna föreställa oss.

 

Utsökt känslighet och precision

"Nanotekniken ger en utsökt känslighet och precision som är svår att matcha med någon annan teknik", säger Sam Gambhir, amerikansk professor och ordförande i radiologi. "Inom de närmaste tio åren, kommer nanomedicinen att ändra sökvägen för cancerdiagnos och behandling i USA."

Fältet har ett antal stora sponsorer, bland annat Nationella Cancerinstitutet som nu spenderar cirka 150 miljoner dollar varje år på nanoteknikforskning och utbildning för bekämpning av cancersjukdomen. Andra institut spenderar ytterligare 300 miljoner dollar på nanoteknikforskning för cancer bland andra sjukdomar. En allians som skapades år 2004 sammanför forskare från biologi, datavetenskap, kemi och teknik. Dussintals kliniska tester genomförs i universitet och företag har hittills gett resultat.

"Vi kan nu upptäcka vissa cancerassocierade molekyler eller cirkulerande tumörceller i kroppen genom att testa några millimeter blod eller saliv, eller kartlägga gränserna för en hjärntumör och bedöma lämplig terapimetod ”sade Gambhir. 

"Vi har konstruerat speciella nanopartiklar som kan skicka tillbaka en förstärkt, jättestor signal när de binder till cancerceller i tjocktarmen, och vi arbetar på att hitta olika sätt som utlöser självorganisering hos nanopartiklar när de kommer in i en cancercell. Fältet har utvecklats enormt under de senaste 10 - 15 åren. "

Förmågan att diagnostisera de allra tidigaste tecknen på problem är avgörande för att stoppa sjukdomen i dess spår innan symptom eller komplikationer uppstår, som är en nyckelkomponent i vad som kallas precisionhälsa.

"Tidig diagnos är helt avgörande, och kräver en helt annan typ av strategi och teknik än den som vi har förlitat oss på i det förflutna", säger Gambhir. "Utan nano, skulle vi inte ha en chans att åstadkomma vårt primära mål. Att hålla våra sjukhus tomma."

En fråga om storlek

Vad är så speciellt med nanoteknik? Som du kan gissa, är det en fråga om storlek. En nanometer är en miljarddels meter. Ett människohår är cirka 100.000 nanometer i diameter. En genomsnittlig cell, cirka 10.000 nanometer. 

Nanopartiklar för medicinskt bruk definieras som molekyler eller strukturer som inte är större än omkring 100 nanometer jämförbara i storlek med de tiotusentals molekyler som glider in och ut ur celler och tränger genom blodkärlens väggar och in i vävnader. De kan söka upp och interagera med enskilda celler och deras innehåll. Men reglerna för interaktion har förändrats, och så har den möjliga besökseffektstorleken.

Molekyler på nanometerskala verkar i en värld där naturlagarna inte alltid gäller eller gränsar mot kvantfysikens lagar. Elektroner beter sig konstigt på en sådan liten scen. Som ett resultat, kan nanopartiklarnas väsentliga egenskaper, inklusive deras färg, smältpunkter, fluorescens, ledningsförmåga och kemisk reaktivitet, variera beroende på deras storlek.

Nanopartiklar löper även över enorma mängder ytarea jämfört med större partiklar. En guldkub med 1 centimeter sidor har en total ytarea av 6 cm. Men samma volym fylld med guldnanosfärer med en diameter av 1 nanometer har en ytarea som är större än en halv fotbollsplan.

Speciella egenskaper

Forskare som Gambhir och hans kollegor har lärt sig att dra fördelar av många av dessa egenskaper i sina uppdrag som går ut på att söka upp och förstöra cancerceller i kroppen, eller att samla in dem från ett blodprov för vidare studier. Genom att variera partikelstorlerkarna, kan forskarna få nanopartiklarna att bete sig på speciella sätt. Som fluorescerande varierande färger för avbildningsändamål, till exempel. Eller för att de skall gripa tag i och sedan släppa cancerceller för olika studier. Vissa partiklar konstrueras för att absorbera ljusenergi så att de kan alstra små akustiska vibrationer som signalerar närvaron av en tumör medan vissa konstrueras för att frigöra värme för att döda cellerna från insidan.
Forskare drar också nytta av nanopartiklarna stora yta. Man täcker dem till exempel med antikroppar eller proteiner eller med signalmolekyler som frigörs när en cancercell har lokaliserats.

Gambhir tror att nanoteknik kommer att vara särskilt användbart i tidig diagnos och behandling. "Det är inte så att våra behandlingar är dåliga, utan att vi tillämpar dem för sent", sade han. "Nanoteknik har potentialen att upptäcka och till och med döda tidiga cancerceller som finns i hundratals eller tusentals i motsats till de miljarder som finns i för närvarande diagnostiserbara tumörer."

Han och hans kollegor föreställer sig en dag i en inte alltför avlägsen framtid när nanosensorer implanteras i våra kroppar, eller i våra i hushållsapparater som toaletten, som kan varna oss för de första tecknen på problem, som uppstår oftast utan vår medvetna deltagande. Han jämför denna strategi med övervakning av en flygplansmotor.

"En flygplansmotor övervakas ständigt, och informationen skickas till en global portal för att diagnostisera problem i realtid", sade han. "Vi saknar detta i vården idag."
Men kanske inte för länge.

Svälja läkaren

Själva idén är inte ny.  År 1959 diskuterade fysikern Richard Feynman, möjligheten att "svälja läkaren" i ett föredrag i Kaliforniens tekniska institut, och brittiska forskare insåg först potentialen av liposomer för läkemedelsadministrering år 1961. Dessa strukturer kan tillverkas för att fungera som behållare för vattenlösliga läkemedel, samtidigt som de sållar bort hydrofoba, eller olösliga, läkemedel i deras fettmembran. Noggrann teknik kan resultera i liposom baserade strukturer som levererar flera läkemedel i exakta förhållanden utan toxiciteten som kan uppstå när läkemedel levereras utan dessa strukturer. De ackumuleras naturligt i tumörvävnad, eller kan riktas till specifika celltyper genom tillsats av antikroppar eller andra molekyler till sin yta.

Tekniken har först godkänts av amerikansk Food and Drug Administration 1995 för att leverera vissa mediciner till patienter med AIDS-relaterat Kaposis sarkom. Det finns nu fler än ett dussin liposomalt paketerade läkemedel på marknaden, och forskare har börjat undersöka möjligheterna av att använda andra typer av nanopartiklar för att leverera inte bara mediciner, utan även små RNA-molekyler för att blockera uttrycket av specifika gener, eller radioaktivitet för att döda cellen.
Nanotekniska metoder används redan nu alltså och det är inte något som från ett praktiskt perspektiv endast avser framtiden.

Nanosensing teknik

Forskare utvecklar teknik för användning utanför kroppen för att identifiera och karakterisera tumörceller som redan existerar i mycket små nivåer i alla typer av kroppsvätskor. Man vill spåra utvecklingen av en känd sjukdom eller lokalisera starten långt innan symptom uppstår.

Forskare som Heather Wakelee och medarbetaren Wang har arbetat med utformningen av ett slags "magnetisk sil" som snabbt sorterar cancerceller från normalt blod, genom användning av magnetiska nanotags som sätts på cancercellernas yta. En nyckelkomponent i tekniken är förmågan att snabbt frigöra de infångade levande cellerna för vidare studier. En annan metod går ut på att använda ett kiselchip mindre är en krona som kan detektera och kvantifiera magnetiska nanotags på cancerceller eller cancerassocierad DNA eller proteinmolekyler genom förändringar i chipsets yttre magnetiska fält.

Mot en enkel blodprovstagning

Teknikerna som beskrivs ovan hjälper forskarna att räkna de cirkulerande tumörcellerna i en patient och att sekvensera cellernas genomer eller bedöma nivån av cancerassocierade proteiner på cellernas yta. Wakelee arbetar också med sina kollegor för att utveckla metoder för att fånga in och sekvensera tumör DNA som cirkulerar fritt i blodet hos cancerpatienter.

”Vi letar efter specifika genmutationer som skulle kunna förändra behandlingen. På detta sätt överger vi invasiva biopsier för våra patienter och rör oss mot en enkel blodprovstagning för att lära oss mer om en individs specifika cancer."

Gambhir arbetar för att utforma guld- och kiselnanopartiklar för användning inuti kroppen för att upptäcka tjocktarmscancer. Partiklarna, som skulle kunna sväljas som piller, lägger sig över tumörceller som normalt skulle vara osynliga under en koloskopi, och kan visualiseras med ett speciellt endoskop. 

Forskarlaget jobbar vidare med denna teknik som de hoppas utveckla och integrera i alltmer i framtidens vård.

Källa: Stanford University Medical Center. Ursprunglig artikel av Krista Conger, först publicerad 2016-05-18