Nanorewolucja w medycynie

Po co narażać pacjenta na ból i stres przy nakłuciu żyły, dlaczego mamy czekać w długich kolejkach do tomografu komputerowego lub rezonansu magnetycznego? Nie lepiej wpuścić do organizmu malutkie nanourządzenia, które same będą mierzyły poziom cukru, cholesterolu, częstość uderzeń serca czy aktywność elektryczną mózgu? W jakim celu stosować dalej toksyczne dla całego organizmu napromienianie czy chemoterapię, jeśli można będzie wprowadzić lek zabijający komórki rakowe bezpośrednio do guza nowotworowego, omijając zdrowe tkanki? A może pójść jeszcze dalej? Wyobraźmy sobie malutkie nanoroboty, które umieszczone wewnątrz organizmu naprawiają zniszczone komórki czy wręcz je zastępują, czyszczą tętnice z blaszki miażdżycowej, walczą z wirusami i bakteriami, reperują wadliwe DNA, dzięki czemu pozbędziemy się wad genetycznych. Lekarze usuwający komórki rakowe już w momencie ich pojawienia się, ludzie wstrzymujący oddech na 4 godziny, leki dostarczane bezpośrednio przez malutkie pompy do guza nowotworowego – wizja rodem z literatury fantastyczno-naukowej? To wszystko nie jest wymysłem szalonych naukowców. To rozkwitająca na naszych oczach nowa dziedzina – nanomedycyna. Oferuje ona możliwość badania komórek prawidłowych i nowotworowych. Użycie nanocząsteczek stanowi znaczny postęp w diagnostyce i leczeniu chorób nowotworowych.

Wszystko zaczęło się od wykładu słynnego fizyka Richarda Feynmana (laureata Nagrody Nobla) wygłoszonego w grudniu 1959 roku i zatytułowanego: „Jest wiele miejsca tam na dole”. R. Feynman po raz pierwszy poddał po rozwagę możliwość tworzenia malutkich cząsteczek na zasadzie manipulowania pojedynczymi atomami. Termin „nanotechnologia” wymyślił natomiast inny znany naukowiec, japoński profesor Norio Taniguchi w 1974 roku. Kolejną znaną osobą w świecie nanotechnologii jest Eric Drexler, który rozwijał idee nanotechnologii i pomysły na nowe nanourządzenia w latach 80-tych ubiegłego wieku. Nanotechnologia jest możliwa dzięki kilku bardzo ważnym odkryciom. Należą do nich: wynalezienie tunelowego mikroskopu skaningowego (STM) i mikroskopu sił atomowych (ATM) oraz odkrycie fulerenów i nanorurek. Mikroskopy STM i ATM pozwalają zobaczyć strukturę jakiejś powierzchni z dokładnością do jednego atomu. Fulereny to cząsteczki składające się z kilkudziesięciu, kilkuset, a nawet ponad tysiąca atomów węgla tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę (czyli nanorurkę). Nanomedycyna jest gałęzią nanotechnologii, czyli nauki zajmującej się sposobami tworzenia i wykorzystania tych mikroskopijnych struktur i urządzeń. Jak małych? Skala nanometryczna to zakres 0,1 do 100 nm (nanometra, czyli jednej miliardowej metra). Są to bardzo małe wielkości, jeden nanometr jest osiemdziesiąt tysięcy razy mniejszy niż przekrój ludzkiego włosa czy sto tysięcy razy mniejszy niż grubość kartki. Historia nanotechnologii jest dość długa. Obecnie to potężna, dynamicznie rozwijająca się gałąź wiedzy i przemysłu. Nad wykorzystaniem osiągnięć nanotechnologii pracują fizycy, chemicy, biolodzy i lekarze. Celem nanomedycyny jest wyeliminowanie wszystkich chorób i maksymalne wydłużenie życia człowieka. Najbardziej zaawansowane są prace nad wykorzystaniem tych malutkich nanourządzeń w diagnostyce, czyli rozpoznawaniu chorób. Nanotechnologia pozwala na badania biofizjologii komórki – zarówno jej błony, jak i struktur wewnętrznych. Mówiąc ściślej, możliwe będzie wykrycie, że „coś złego” dzieje się w organizmie, jeszcze zanim rozwinie się jakakolwiek choroba. Intensywne prace z zakresu nanomedycyny dotyczą onkologii. Nasza walka z nowotworami jest często przegrana już na starcie, kiedy komórek nowotworowych jest tak dużo, że rozsiały się po całym organizmie (jako przerzuty). Nanomedycyna pomoże w ich wychwyceniu właściwie na samym początku, kiedy nie zdążyły nawet stworzyć guzka widocznego w mammografii, rezonansie magnetycznym czy innym badaniu obrazowym. Zanim (przykładowo) rak sutka objawi się jako guzek, będzie można wykryć pojedyncze komórki nowotworowe. Im mniejsze zmiany i im wcześniejsze stadium wykrywa jakieś badanie, tym jest bardziej czułe. Nanomedycyna pozwoli na skonstruowanie takich superczułych testów. To właśnie nanoroboty są celem nanorewolucji. Miniaturowe urządzenia będą łączyć w sobie czujniki (wykrywające np. białka nowotworowe czy wirusowe) i maleńkie komputery przetwarzające dane oraz narzędzia (np. zbiorniki z lekami) pozwalające na wykonanie czynności, do której zostały zaprojektowane. Ważnym elementem będzie też system nadawczo-odbiorczy. Lekarz musi mieć bowiem nad nimi stałą kontrolę – w odpowiednim momencie je włączyć i wyłączyć. Nanotechnologia stwarza nowe możliwości leczenia nowotworów. W maju 2008 roku w Genewie, w czasie konferencji naukowej Organizacji Europejskich Instytutów Onkologii (OECI), Umberto Veronesi, światowy autorytet w dziedzinie onkologii, stwierdził, że nanotechnologia zrewolucjonizuje wszystkie aspekty onkologii – od badań podstawowych do molekularnego obrazowania, od diagnostyki laboratoryjnej do wczesnego rozpoznania i skryningu, od celowanej i personalizowanej terapii do leczenia objawowego. Jest to kierunek nazwany onkologią wykorzystującą nowe technologie (Technology Assisted Oncology – TAO). Wiodące europejskie centra onkologiczne powinny wspólnie rozwijać nanomedycynę i promować nanotechnologię jako nową multidyscyplinarną dziedzinę wiedzy biologicznej i chemicznej. Zbliżamy się do ideału: „wykryj i zniszcz” komórkę nowotworową, stosując nanorurki węglowe, złote nanomuszelki czy dendrymery odpowiednio zaopatrzone w leki oraz specyfiki rozpoznające komórkę nowotworową – można ją zniszczyć lub unieszkodliwić, nie uszkadzając komórek prawidłowych. Jest to idealna terapia, dotychczas w onkologii nieosiągalna. Stosowane są nanocząsteczki akumulujące się w guzie, działające na białka błony komórkowej – przeciwciała monoklonalne i białka integryny. Najczęściej są używane obecnie złote nanomuszelki, które sterowane przez promieniowanie podczerwone, wchodzą do guza i niszczą go przez miejscowe podgrzewanie. Stosuje się kompleksy żelowe nanodiamentów związanych z lekami, np. Doksorubicynę czy mikropęcherzyki, z których uwalniane są cytostatyki. Badania takie prowadzi się w USA i w ramach programów ogólnoeuropejskich.
Nanoroboty przekraczają już skalę „nano” i mierzą od 0,5 do 4 mikrometrów (1 mikrometr to jedna milionowa część metra). Większe nie zmieściłyby się w najdrobniejszych naczyniach krwionośnych, czyli włośniczkach. Jednak można sobie wyobrazić nanoroboty, które będą wprowadzane nie do krwiobiegu, tylko do oskrzeli (czyli wdychane) lub do przewodu pokarmowego (połykane). Takie urządzenia mogą być jeszcze większe. Jednym z najbardziej znanych przykładów nanorobotów (na razie jeszcze w fazie projektów) jest wynaleziony przez Roberta Freitasa – respirocyt. To sztuczna krwinka czerwona (erytrocyt). Erytrocyty przenoszą z płuc do tkanek tlen, a w drodze powrotnej zabierają dwutlenek węgla, który jest uwalniany w płucach i przez nas wydychany. Respirocyty robią to znacznie wydajniej, ponieważ w ich wnętrzu może panować ciśnienie aż do 1000 atmosfer (normalnie w krwinkach czerwonych panuje ciśnienie 0,5 atmosfery). Jeśli wprowadzilibyśmy do krążenia litr zawiesiny respirocytów, to moglibyśmy na dnie basenu wstrzymywać oddech przez 4 godziny albo biec sprintem na wstrzymanym oddechu przez 15 minut. Potencjalnych zastosowań nanourządzeń i nanomateriałów może być jednak bardzo dużo. Oprócz sztucznych krwinek czerwonych mogą to być np. sztuczne krwinki białe walczące w bakteriami i wirusami, czy też sztuczne komórki nerwowe mieszczące w sobie nieprawdopodobnie duże ilości informacji.
Osobnym i bardzo obiecującym zagadnieniem jest inżynieria tkankowa. Zastosowanie sztucznego „nanorusztowania” i czynników wzrostu pozwoli na odbudowanie brakujących lub zniszczonych przez chorobę części tkanek lub narządów. Być może wyeliminuje to zupełnie konieczność przeszczepów lub sztucznych protez (np. stawu biodrowego). Wyobraźmy też sobie, jaką nadzieję, stwarza taka inżynieria dla osób sparaliżowanych po urazach rdzenia kręgowego. Możliwe będzie odbudowanie przerwanych włókien nerwowych – na co czekają miliony sparaliżowanych osób na całym świecie.
Nanomedycyna daje szansę na leczenie nowotworów, choroby Alzheimera. Kontynuowane są zaawansowane badania w zakresie wytwarzania nowych tkanek, regeneracji organów, budowy systemów dystrybucji leków w organizmie czy pielęgnacji skóry. Poznanie świata w skali nano daje szansę na dokonanie przełomu w badaniach nad skutecznymi lekami i kosmetykami oraz ich produkcji. W efekcie powstaną nowe konstrukcje narzędzi diagnostycznych, terapeutycznych oraz biomateriały. Nanobiotechnologie pozwolą więc na skuteczną walkę z nieuleczalnymi dziś chorobami i znaczne przedłużenie ludzkiego życia. Przewiduje się, że już w tym roku (2010) powstaną trójwymiarowe nanosystemy zawierające heterogeniczne nanokomponenty i sieci połączeń w nanoskali o nowej architekturze. Natomiast w roku 2020 będą funkcjonować molekularne nanosystemy, zwierające heterogeniczne molekuły imitujące procesy życiowe.

Każdy kij ma jednak dwa końce, naukowcy znają to powiedzenie aż za dobrze. Nanourządzenia mogą być tak małe, że będą zbyt szybko usuwane z organizmu, zanim rozpoczną zadanie, do którego zostały przeznaczone. I przeciwnie – duże cząsteczki mogą gromadzić się w narządach (np. wątrobie), co być może będzie dla tych organów toksyczne.
A co z nanorobotami, które się zepsują i zamiast pożytku będą przynosić szkody? Po pierwsze, będzie je można zawsze łatwo usunąć z organizmu już po wykonaniu zadania; po drugie, będą sterowane z zewnątrz, dzięki czemu możliwe będzie ich przeprogramowanie lub zupełne wyłączenie; po trzecie, będą konstruowane tak jak promy kosmiczne, czyli z zapasowymi obwodami i urządzeniami (np. z zapasowymi minikomputerami „na pokładzie”). Problemem są także kanały komunikacji między lekarzem, a nanorobotami (jednym z rozwiązań są sygnały akustyczne, podobne do tych w ultrasonografii), między samymi nanorobotami oraz między nanorobotem i – jako informacja zwrotna – lekarzem. Komunikacja w obie strony musi być możliwa, aby szybko wyłączyć urządzenie, które zakończyło swoją działalność lub po prostu się zepsuło, a także po to, aby nanoroboty zameldowały o wykonaniu powierzonego zadania. Inne kłopoty dotyczą reakcji obronnej organizmu przeciwko nanourządzeniom. Wydają się one przecież takim samym ciałem obcym jak bakterie czy wirusy. Jednak nie do końca. Nanoroboty mają gładką powierzchnię, „odpychają” cząsteczki wody i są obojętne chemicznie. To wszystko razem oraz ich małe rozmiary sprawia, że traktowane będą prawdopodobnie z większą pobłażliwością przez nasz układ immunologiczny. Pozostają wreszcie obawy natury ogólnej. Czy człowiek z częściami mechanicznymi (nawet wielkości „nano”) będzie cały czas człowiekiem czy już pół-maszyną? Sztuczne krwinki czerwone lub sztuczne komórki nerwowe, w których mieścić się będzie cała biblioteka albo sztuczne mikrokomputerki w mózgu pracujące z wydajnością współczesnych superkomputerów. Czy nie za daleko idziemy? Cóż, kiedyś podobne pytania zadawano przy okazji wszczepiania rozruszników serca, przeszczepów nerek czy serca. A teraz uważamy te zabiegi na normalne i dopuszczalne z punktu widzenia etyki.

1) Aerozoloterapia – cząsteczki <100 nm docierają głęboko do tkanki płucnej. Terapia aerozolową stosuje się w leczeniu astmy oskrzelowej, zapaleniu ucha środkowego, niedrożności trąbki słuchowej, zapalenie zatok, przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POCHP). W opracowaniu jest nawet wziewne podawanie insuliny oraz wziewne leczenie niedoborów hormonalnych. Nowoczesna medycyna stosuje klasyczne aerozole oraz tzw. wibroaerozole, które dynamizują wytwarzany aerozol poprzez „nałożenie” nań fali akustycznej o częstotliwości 100 Hz, co zwiększa penetracje cząsteczek 500 razy. Metoda ta umożliwia aerozoloterapię zatok przynosowych.
2) Mikrochipy – John T. Santini opracował metodę konstrukcji mikrochipów dla medycyny. Są to najczęściej małe układy ceramiczne z zagłębieniami, które wypełnia się lekiem i zamyka cienką złota folią. Przyłożenie sygnału elektrycznego o napięciu 1 V powoduje uwolnienie danego leku. W chwili obecnej produkowane są mikrochipy-sensory. To małe czujnik umieszczone w organizmie pacjenta informujące np. o poziomie tlenu i glukozy u chorych na cukrzycę ludzi. Amerykańska firma Medtronik produkuje implanty Activa, które wszczepiane do mózgu produkują impulsy elektryczne likwidujące objawy choroby Parkinsona. Implanty typu Clarion pomagają ludziom głuchym. Nanotechnologia w przyszłości zmniejszy wielkość mikrochipów.
3) Nanocząsteczki – amerykańska firma American Elements produkuje ciekawy nanomateriał Z-MITETM. Są to nanocząsteczki tlenku cynku posiadające właściwości przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze, przeciwkorozyjne oraz zdolności zatrzymywania promieniowania UV. Tlenek cynku nie jest związkiem toksycznym i może być stosowany jako dodatek do materiałów oraz każdej powierzchni, z jaką ma do czynienia człowiek.
4) Nanopręciki – amerykański naukowcy opracowali metodę otrzymywania naonpręcików ze złota o wielkości mniejszej 200 razy od krwinki czerwonej. Zawiesinę nanopręcików wstrzykiwano myszom, a następnie obserwowano ich ruch w naczyniach krwionośnych uszu w świetle laserowym. Naukowcy wierzą, że ta metoda pozwoli szybciej wykrywać raka (np. skóry).
5) Nanożele – używane są jako substytuty mazi stawowych lub nośniki leków.

Marcin Pustkowski: Nanorewolucja, Żyjmy dłużej, 9/2006, s. 47-49.
Andrzej Kułakowski: NANO – technologia XXI wieku, Puls 10/2009, s. 16-17.
Jan Mazurek: Inwestycje w nanotechnologie – krajobraz po rewolucji, http://www.expander.pl/warto-wiedziec/wiadomosci/aktualnosci-z-rynku-szczegoly,selected_page,534,details,8860.