Нанотехнологии в диагностике и лечении рака

Нанотехнологии позволяют исследователям манипулировать молекулами и структурами, намного меньшими клетки, чтобы улучшить возможности обнаружения, мониторинга и уничтожения раковых клеток в организме.

Хотя события фильма Фантастическое путешествие (1966) казались надуманными, сегодня подобные технологии разрабатываются в лабораториях по всему миру, особенно для лечения рака. Десятки тысяч пациентов уже получили химиотерапевтические препараты, доставленные с помощью наночастиц, называемых липосомами, и десятки других подходов находятся в клинических испытаниях.

"Исключительная чувствительность и точность"

"Нанотехнологии предлагают исключительную чувствительность и точность, которую трудно сопоставить с любой другой технологией", — говорит Сэм Гамбир, профессор и заведующий кафедрой радиологии в Школе медицины. "В течение следующего десятилетия наномедицина изменит путь диагностики и лечения рака в этой стране".

Национальный институт рака (NCI) ежегодно тратит около $150 млн на исследования и обучение в области нанотехнологий для борьбы с раком; другие институты NIH тратят дополнительные $300 млн.

"Теперь мы можем обнаружить всего несколько молекул, ассоциированных с раком, или циркулирующих опухолевых клеток в теле, всего в нескольких миллилитрах крови или слюны", — говорит Гамбир.

Вопрос масштаба

Нанотехнология — это вопрос масштаба. Нанометр — это одна миллиардная метра. Человеческий волос имеет диаметр около 100 000 нанометров. Средняя клетка — около 10 000 нм. Наночастицы для медицинского использования определяются как молекулы или структуры размером не более 100 нанометров.

Молекулы в нанометровом масштабе существуют в мире, где законы физики действуют иначе. Электроны ведут себя странно. В результате основные свойства наночастиц, включая их цвет, температуру плавления, флуоресценцию, проводимость и химическую реактивность, могут меняться в зависимости от их размера.

Частицы наноразмера также имеют огромную площадь поверхности по сравнению с более крупными частицами.

"Настройка" наночастиц

Исследователи научились использовать эти свойства для поиска и уничтожения раковых клеток. Изменяя размер частиц, ученые могут "настраивать" их поведение — например, заставлять флуоресцировать разными цветами для визуализации. Некоторые частицы можно запрограммировать на поглощение световой энергии для создания акустических вибраций, сигнализирующих об опухоли, или для выделения тепла, чтобы убить клетки изнутри.

Исследователи также используют огромную площадь поверхности частиц, покрывая их антителами или белками, которые находят раковые клетки, или сигнальными молекулами, которые высвобождаются десятками тысяч при обнаружении раковой клетки.

"Нанотехнологии имеют потенциал для обнаружения и даже уничтожения ранних раковых клеток, присутствующих в количестве сотен или тысяч, в отличие от миллиардов клеток в уже диагностируемых опухолях", — считает Гамбир.

"Проглотить доктора"

Концепция миниатюрных медицинских помощников не нова. В 1959 году физик Ричард Фейнман обсуждал возможность "проглотить доктора". Британские исследователи впервые осознали потенциал липосом для доставки лекарств в 1961 году.

Эти сферы можно создать так, чтобы они содержали водорастворимые препараты внутри, а также "прятали" нерастворимые препараты в своей жировой мембране. Тщательная инженерия может привести к созданию структур на основе липосом, которые доставляют несколько препаратов в точных соотношениях и в высоких концентрациях без токсичности. Они естественным образом накапливаются в опухолевой ткани или могут быть нацелены на определенные типы клеток с помощью антител на их поверхности.

Техника была впервые одобрена FDA в 1995 году для доставки химиотерапевтического препарата доксорубицина пациентам с саркомой Капоши, связанной со СПИДом. Сейчас на рынке представлено более десятка препаратов в липосомальной упаковке. Исследователи начали изучать способы использования других типов наночастиц для доставки не только лекарств, но и малых молекул РНК для блокирования экспрессии определенных генов или радиоактивной нагрузки для уничтожения клетки.

"С практической точки зрения, нанотехнологии — это не волна будущего. Это настоящее", — говорит Хизер Уэйкли, доктор медицины, доцент медицины в Стэнфорде. "И это меняет то, как мы лечим пациентов в клинике".

Технологии наносенсоров

Исследователи работают над технологиями для использования вне тела, чтобы идентифицировать и характеризовать опухолевые клетки, присутствующие в минимальных количествах в различных биологических жидкостях.

Уэйкли работала с Шань Ваном над созданием "магнитного сита", которое быстро отделяет раковые клетки от нормальной крови на основе магнитных нанометок, созданных для покрытия поверхности раковых клеток. Ключевой компонент техники — способность быстро высвобождать связанные живые клетки для дальнейшего изучения.

Другой подход, разработанный в лаборатории Вана, включает магнито-наносенсор — кремниевый чип размером меньше десятицентовика, который может обнаруживать и количественно определять магнитные нанометки на раковых клетках или связанных с раком молекулах ДНК или белка на основе изменений внешнего магнитного поля чипа.

Этот подход проходит клинические испытания компанией MagArray для обнаружения нескольких биомаркеров рака легких и простаты в крови пациентов.

Эти методы могут позволить исследователям не только подсчитывать циркулирующие опухолевые клетки у пациента, но и секвенировать их геномы или оценивать уровни экспрессии связанных с раком белков на их поверхности. Уэйкли также работает над способами захвата и секвенирования опухолевой ДНК, свободно циркулирующей в крови пациентов с раком.

"Таким образом, мы отходим от инвазивных биопсий для наших пациентов и движемся к простому забору крови, чтобы узнать больше о конкретном раке у человека", — говорит она.

Гамбир работает над созданием золотых и кремниевых наночастиц для использования внутри тела для обнаружения рака толстой кишки. Частицы, которые будут проглатываться в виде таблеток, покрывают очаги опухолевых клеток, обычно невидимые при колоноскопии, и могут быть визуализированы с помощью специального эндоскопа, разработанного командой. Техника находится на рассмотрении FDA.

"Рак — очень сложное заболевание для лечения, и его также трудно диагностировать на ранней стадии", — говорит Пётр Гродзински, доктор философии, руководитель программ NCI по нанотехнологиям для онкологии. "Альянс был создан, чтобы объединить, например, инженеров и материаловедов с биологами и онкологами, чтобы понять, во-первых, как наночастицы взаимодействуют с биологическими системами, и, во-вторых, как они взаимодействуют с раковыми клетками и что они могут сделать с опухолью".

"Стэнфорд, в сердце Силиконовой долины, — уникальное место для развития такого рода технологий", — говорит Гамбир. "Совместная атмосфера объединяет людей для решения конкретных проблем в диагностике и обнаружении рака".