Το ταξίδι των νανοχειρουργών

Από σελίδα της NASA 15 Ιανουαρίου 2002

Επιστήμονες που χρηματοδοτούνται από τη NASA, επεξεργάζονται μικροσκοπικές συσκευές που θα μπορούν να ταξιδεύουν μέσα στα ανθρώπινα σώματα και να επισκευάζουν τα τυχόν προβλήματα   - ένα κύτταρο κάθε φορά.

Είναι όπως μια σκηνή από το κινηματογραφικό έργο "Φανταστικό ταξίδι", που βασίζεται σε ένα βιβλίο του Isaac Asimov.   Ένα μικροσκοπικό σκάφος -- πολύ μικρότερο από ένα ανθρώπινο κύτταρο -- πέφτει μέσα στην κυκλοφορία του αίματος ενός ασθενή, κυνηγώντας ασθενικά κύτταρα και διαπερνώντας τις μεμβράνες τους για να χορηγήσει τις ακριβείς δόσεις των φαρμάκων.

Μόνο που αυτό δεν είναι Hollywood. Αυτό είναι πραγματική επιστήμη.

Δεξιά: Μικροσκοπικές κάψες πολύ μικρότερες από αυτά τα κύτταρα αίματος μπορούν κάποια ημέρα να εγχυθούν στο αίμα των ανθρώπων για να θεραπεύσουν αρρώστιες που κυμαίνονται από τον καρκίνο έως καταστροφή από την ακτινοβολία.

Οι ερευνητές που χρηματοδοτήθηκαν από μια επιχορήγηση από τη NASA άρχισαν πρόσφατα ένα πρόγραμμα για να κάνουν αυτό το φουτουριστικό σενάριο μια πραγματικότητα. Εάν επιτύχει, τα "σκάφη" που αναπτύχθηκαν από αυτούς τους επιστήμονες -- που αποκαλούνται νανοσωμάτια ή νανοκάψουλες -- θα μπορούσαν να βοηθήσουν ώστε να βγει αληθινή μια άλλη ιστορία επιστημονικής φαντασίας : Την ανθρώπινη εξερεύνηση του Άρη και επίσης την μακροπρόθεσμη κατοικία στο Διάστημα.

Ενώ οι διαστημικές εφαρμογές θα είναι η αρχική εστίαση των ερευνητών, τα νανοσωμάτια επίσης έχουν μεγάλες δυνατότητες για πολλά πεδία της ιατρικής, ιδιαίτερα την θεραπεία του καρκίνου. Η τεράστια υπόσχεση να παραδώσει τα δηλητήρια που δολοφονούν τον όγκο, άμεσα στα καρκινικά κύτταρα, αποτρέποντας κατά συνέπεια τις τρομακτικές παρενέργειες της χημειοθεραπείας, έχει γεννήσει πολύ ενδιαφέρον για τα νανοσωμάτια μεταξύ της ιατρικής κοινότητας.

"Ο σκοπός αυτών των νανοσωματίων είναι να εισαχθεί ένας νέος τύπος θεραπείας -- για να πάει πραγματικά μέσα στα μεμονωμένα κύτταρα... και να τα επισκευάσει, ή, εάν εκεί υπάρχει πολλή ζημία, να τα ξεφορτωθεί," εξηγεί ο James Leary του Πανεπιστημίου του Ιατρικού Κλάδου του Τέξας. Ο Leary καθοδηγεί την έρευνα μαζί με τον Stephen Lloyd, και τον Massoud Motamedi, επίσης από το Πανεπιστήμιο του Τέξας. Επίσης με τον Nicholas Kotov του Κρατικού Πανεπιστημίου της Οκλαχόμα και τον Yuri Lvov του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Λουιζιάνας.

Το πρόγραμμά τους θα στραφεί σε ένα πρόβλημα που αφορά τον καρκίνο -- τις υψηλές δόσεις ακτινοβολίας που βιώνονται από τους αστροναύτες στο διάστημα, ειδικά στα ταξίδια στο φεγγάρι ή στον Αρη, τα οποία απαιτούν να αφήσουν οι αστροναύτες, την προστατευτική ομπρέλα του γιγαντιαίου μαγνητικού πεδίου που περιβάλλει τη Γη.

Ακόμη και τα πιο προηγμένα υλικά που χρησιμοποιούνται για το προστατευτικό κάλυμμα της ακτινοβολίας στο διαστημικό σκάφος δεν μπορούν για να μονώσουν πλήρως τους αστροναύτες από την υψηλής ενέργειας ακτινοβολία του διαστήματος.

Αυτά τα φωτόνια και τα σωματίδια της ακτινοβολίας, διαπερνούν τους οργανισμούς των αστροναυτών σαν απειροελάχιστες σφαίρες. Όταν το DNA βλάπτεται από αυτήν την ακτινοβολία, τα κύτταρα μπορούν να συμπεριφερθούν ασταθώς, οδηγώντας μερικές φορές στη δημιουργία καρκίνων.

"Αυτό είναι ένα σημαντικό πρόβλημα," λέει ο Leary. "Εάν οι άνθρωποι πρόκειται να ζήσουν στο διάστημα, πρέπει να σχεδιάσουμε πώς να τους προστατεύσουμε από την ακτινοβολία καλύτερα."

Δεξιά: Η υψηλής ενέργειας κοσμική ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει στο DNA ζημιές και να κάνει τα κύτταρα να συμπεριφερθούν ασταθώς.

Επειδή το προστατευτικό κάλυμμα πιθανώς μόνο του, δεν θα λύσει το πρόβλημα, οι επιστήμονες πρέπει να βρούν κάποιο τρόπο ώστε να καταστήσουν τους αστροναύτες ανθεκτικότερους στην βλάβη της ακτινοβολίας.

Τα Νανοσωμάτια προσφέρουν μια κομψή λύση. Αυτές οι κάψες που παραδίδουν-μοιράζουν το φάρμακο, είναι μικροσκοπικές -- μόνο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, το οποίο είναι μικρότερο και από ένα βακτηρίδιο και μικρότερο ακόμη και από τα μήκη κύματος του ορατού φωτός. (Το νανόμετρο είναι ένα εκατομμυριοστό ενός χιλιοστόμετρου.)

Μια απλή έγχυση με μια υποδερμική βελόνα μπορεί να ελευθερώσει χιλιάδες ή εκατομμύρια αυτών των καψών στην κυκλοφορία του αίματος ενός ατόμου. Μόλις βρεθούν εκεί, τα νανοσωμάτια θα εκμεταλλευθούν το φυσικό προειδοποιητικό σύστημα του σώματος, για να βρουν τα κατεστραμμένα κύτταρα από την ακτινοβολία.

Τα τρισεκατομμύρια των κυττάρων σε ένα ανθρώπινο σώμα αυτο-προσδιορίζονται και επικοινωνούν το ένα με το άλλο μέσω των σύνθετων μορίων που ενσωματώνονται στις εξωτερικές μεμβράνες τους. Αυτά τα μόρια ενεργούν ως χημικές "σημαίες" για την επικοινωνία με άλλα κύτταρα ή ως χημικές "πύλες" που ελέγχουν την είσοδο  στο κύτταρο για τα μόρια στην κυκλοφορία του αίματος (όπως οι ορμόνες).

Όταν τα κύτταρα καταστραφούν από την ακτινοβολία, παράγουν δείκτες (μόρια) με μια ιδιαίτερη κλάση πρωτεϊνών που καλούνται "CD- 95" και τις τοποθετούν στις εξωτερικές επιφάνειές τους, δείχνοντας ότι είναι προσβεβλημένα στ' άλλα κύτταρα

"Είναι σαν το κύτταρο να μιλά με άλλα κύτταρα και λέει,"Γιά σου, είμαι τραυματισμένο", λέει ο Leary.

Με την εμφύτευση των μορίων στην εξωτερική επιφάνεια των νανοσωματίων που δεσμεύουν σε αυτά τους δείκτες CD- 95 , οι επιστήμονες μπορούν "να προγραμματίσουν" τα νανοσωμάτια για να αναζητήσουν αυτά τα τροποποιημένα κύτταρα λόγω της ακτινοβολίας.

Αριστερά: Μια μεμβράνη δύο στρωμάτων, χωρίζει το εσωτερικό των κυττάρων, στο κάτω δεξιά αυτής της εικόνας, από το περιβάλλον. Τα σύνθετα μόρια σε αυτήν την εξωτερική μεμβράνη ελέγχουν πώς το ελλοχεύον κύτταρο αλληλεπιδρά με το περίβλημα του.

Οι επιστήμονες θα πρέπει να «προγραμματίσουν» τα νανοσωμάτια ώστε να αναγνωρίζουν τα μόρια CD-95 και να προσκολλώνται σε αυτά.

Εάν η ζημιά λόγω ακτινοβολίας είναι πολύ άσχημη, νανοσωμάτια μπορούν να εισέλθουν στα χαλασμένα κύτταρα και να ελευθερώσουν ένζυμα που αρχίζουν την "αυτόματη καταστρεπτική ακολουθία" του κυττάρου, γνωστή ως απόπτωση. Διαφορετικά, μπορούν να ελευθερώσουν τα ένζυμα DΝΑ-επισκευής για να προσπαθήσουν να σταθεροποιήσουν το κύτταρο και να το κάνουν να επιστρέψει στην κανονική του λειτουργία.

Οι άνθρωποι και οι άλλοι οργανισμοί έχουν φυσικά ένζυμα που φυλάσσουν το DNA και επισκευάζουν τα λάθη, αλλά μερικά κάνουν μια καλύτερη εργασία από άλλα. "Υπάρχουν οργανισμοί που μπορούν  να απορροφήσουν υψηλές δόσεις ακτινοβολίας και να είναι εντάξει," λέει ο Leary. Με τη μελέτη τέτοιων ειδών, οι επιστήμονες έχουν φτιάξει ήδη ένζυμα για την DΝΑ-επισκευή, που θα μπορούσαν να διανεμηθούν από τα νανοσωμάτια στον οργανισμό.

Η ομάδα του Leary μελετά επίσης τους τρόπους να συνδέσει μόρια φθορίου με τα νανοσωμάτια. Αυτά θα μπορούσαν να σχεδιαστούν για να φωτίσουν ορισμένα στάδια της διαδικασίας, υιοθετώντας ακόμη και διαφορετικά χρώματα για διαφορετικά στάδια. Αυτές οι ετικέττες φθορισμού, θα παρείχαν έτσι έναν τρόπο να ελεγχθούν τα νανοσωμάτια μέσα στο σώμα.

Ανωτέρω: Σε αυτήν την απεικόνιση τοιχώματα νανοκάψουλας διαλύονται επιλεκτικά, τότε επιτρέπουν να μεταρρυθμιστούν, παγιδεύοντας τα φθορίζοντα μόρια φαρμάκων μέσα . Τέτοια νανοσκάφη μπορούν να γίνουν από αυτο-συναρμολογούμενα   πολυμερή σώματα ή ημιαγωγά υλικά όπως το τελλούριο του καδμίου.

"Για να αξιολογήσετε το βαθμό της ζημιάς λόγω ακτινοβολίας,  θα χρησιμοποιείτε τη ροή των φθορισμένων νανοσωματίων στα κύτταρα ως ένα είδος in vivo οργάνου αξιολόγησης."   λεει ο Leary (in vivo σημαίνει "μέσα στον οργανισμό.")

Η σχετική τεχνολογία υπάρχει ήδη -- χρησιμοποιείται για να μετρήσει τις αλλαγές της ροής αίματος στον αμφιβληστροειδή που οφείλεται σε διάφορες ασθένειες. Η NASA ενδιαφέρεται για τέτοιους τρόπους, ώστε να ελέγχεται η υγεία, επειδή οι αστροναύτες θα χρειαστούν να ενεργήσουν και ως γιατροί στις εκτεταμένες αποστολές.

"Τελικά, οι αστροναύτες θα φορέσουν ειδικά γυαλιά για να ελέγχουν τι συμβαίνει στην κυκλοφορία του αίματός τους. Και τότε εάν χρειάζονται θεραπεία, έχουν μια υποδερμική βελόνα με τα κατάλληλα νανοσωμάτια για την εργασία, "λέει.

Αριστερά: Το νανοσωμάτιο θα μπορούσε να παρέχει έναν τρόπο για να μοιραστούν φάρμακα κυτταρο-φονιάδες, στους καρκινικούς όγκους, όπως αυτό που απεικονίστηκε εδώ, χωρίς να επιδρά στα κοντινά υγιή κύτταρα.

Το νανοσωμάτιο είναι μια ριζικά νέα προσέγγιση στην ιατρική, και υπό αυτήν τη μορφή η τεχνολογία θα απαιτήσει πολλά χρόνια για να γίνει ώριμη και αξιόπιστη.

Αλλά δεν είναι μια φανταστική ιστορία. Όλα τα στοιχεία αυτής της ιδέας έχουν καταδειχθεί ήδη χωριστά -- τα ένζυμα επισκευής DΝΑ, τα νανοσωμάτια, τις ετικέτες φθορισμού. Το τέχνασμα είναι να τα πάρεις όλα αυτά μαζί για να εργαστούν σωστά.

"Αυτό είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα, και δεν πρόκειται να είμαστε σε θέση να τα κάνουμε όλα αυτά σε τρία έτη," που είναι η "διάρκεια" της επιχορήγησης από τη NASA. "Προσπαθούμε να κάνουμε κάποια όμορφη καινοτόμο επιστήμη εδώ -- αυτό είναι ένα άλμα," λέει ο Leary.