Нанотехнологии - Доктор в кръвта - Здраве

Актуални новини в Süddeutsche Zeitung

Табло

икономика

Мюнхен

Култура

общество

Знание

Нанотехнологии: лекар в кръвта

Наномедицините разработват малки устройства, които навигират в кръвния поток на пациента.
Те са предназначени да освобождават лекарства там, където са необходими.
Това може да бъде особено полезно в борбата с тумори, кръвни съсиреци или заболявания на ретината.

От Кристиан Дж. Майер

Идеята е стара, още през 1966 г. в холивудския филм „Фантастичното пътешествие“, свита подводница и екипаж, движещи се през вените на пациент. Той трябва да лазерира неработещ кръвен съсирек в мозъка му. Новото е, че от няколко години лекарите и инженерите всъщност искат да реализират такива видения, например в лаборатория в университетската клиника в Ерланген. Не изглежда точно като работилница за медицински зрения, по-скоро като напълно нормална стая за лечение: диван за пациент, масивен апарат и монитори, на които могат да се видят рентгенови лъчи на кръвообращението.

Тук лекарят Кристоф Алексиу работи върху малки същества, които би трябвало да елиминират болестите отвътре. „Искам да внеса това в пациента“, казва ръководителят на отдела за експериментална онкология и наномедицина. След няколко години той иска да унищожи тумори в клинични тестове с някакво оръжие с ръководство с размерите на вирус. Екипът на Erlangen също се насочва към артериосклероза и сепсис.

"Хирургията ще остане златният стандарт за лечение на рак", казва Алексиу. Туморите обаче не винаги могат да бъдат премахнати със скалпел, например защото са в мозъка. Лекарствата против рак, инжектирани в кръвта, достигат до фокуса на заболяването. Но само малка част от него. По-голямата част от него се разпределя в тялото. Следователно химиотерапията често има масивни странични ефекти.

Изследователите са построили робот с размер само няколко милиметра, който трябва да пътува по човешкото тяло. Там той можеше да транспортира лекарства или да изгаря туморни клетки.

Доклад от Ян Швенкенбехер, Щутгарт

Този подход на пушка притесняваше медицинския пионер Пол Ерлих още през 1907 г. Той искаше да „хвърли вълшебни куршуми, които са ударили само патогена“. По това време това беше далечен сън. Едва почти 80 години по-късно американският инженер Ерик Дрекслер планира роботи с размерите на белите кръвни клетки. Бордовият компютър трябва да управлява тези "машини за ремонт на клетки" чрез кръвообращението, да използва сензори за откриване на огнища на заболяване, например отлагане в малък съд в мозъка и да го отстранява с инструменти, не по-големи от молекула. Този проект също остана визия.

"Вместо да оборудваме машина с интелигентност, ние използваме логиката на биологията."

Вярно е, че днес изследователите изграждат устройства, сензори или роботизирани рамена, които са толкова малки, че за тях течната вътрешност на клетката прилича на езеро за къпане. Но бордовият компютър с размери няколко нанометра (милионни от милиметъра), който би могъл да управлява сложно устройство, съставено от такива компоненти, все още не се вижда. Но съвременните изследователи така или иначе вече не разчитат на свиване на роботи до нано размер. Това им се струва твърде тромаво.

„Искаме значително да намалим сложността“, казва Фолкер Маялдер, лекар и учен в Медицинския център на Университета в Майнц и в Института на Макс Планк за полимерни изследвания там. Това е единственият начин да внедрите технологията в ежедневната клинична практика в обозримо бъдеще. Подходът, възприет от екипа, ръководен от Mailänder и химика Катарина Ландфестър, все пак е труден: изследователите пълнят малки пластмасови капсули с лекарството за рак и ги инжектират в тялото. След това наночастиците трябва сами да намерят раковите клетки.

За целта екипът покрива частиците с така наречените антитела. Всяка от тези молекули прилича на ключ. Съответстващата ключалка е протеин, който само туморните клетки носят на повърхността си. Ако случайно двете биомолекули се срещнат, те се комбинират. Частицата е достигнала местоназначението си, прониква в раковата клетка и освобождава там своя смъртоносен товар. Това напомня малко на „вълшебните сфери“ на Пол Ерлих, защото наночастиците плуват покрай здрави клетки. Volker Mailänder обобщава тактиката: "Вместо да оборудват машина с интелигентност, нашите частици използват логиката на биологията."

Лекарствата валят върху кръвния съсирек

Това е завладяваща идея, но такава, която може да бъде изпълнена само с усърдни детайли. Например, екипът на Майнц изследва шест години, за да преодолее само една от многото препятствия. Един от проблемите беше, че протеините в кръвта лежат върху наночастиците и по този начин маскират повечето антитела - раковите сензори. Повечето частици биха се скитали безцелно из тялото. След това изследователите установяват, че много от Y-образните антитела не са прикрепени към частицата, изправени на "стъблото" им, а по-скоро лежат напречно. Те щяха да стърчат вертикално от протеиновата обвивка. Само с няколко трика учените от Майнц успяха да издигнат повечето антитела; сега протеините вече не пречат. Наномедицините скоро ще бъдат тествани в експерименти с животни.

Но наномедицините не искат просто да се борят с рака. Други заболявания също изпращат сигнали, които могат да бъдат усетени от прости нано-подводници. Изследователи, работещи с Доналд Ингбър от Харвардския университет в Бостън, са разработили тип сензор за задръствания, който показва стеснения в кръвоносните съдове. Кръвните съсиреци причиняват инсулти, инфаркти или белодробни емболии. Има лекарства, така наречените тромболитици, които могат да ги разтворят. Но тези вещества понякога имат сериозни странични ефекти, като мозъчен кръвоизлив. Така че лекарите търсят лекарства, които действат директно върху запушалката. Следователно изследователите от Бостън са покрили наночастиците млечна киселина с тромболитичен агент. Това създава хлабави бучки, които плуват в кръвта като влажни, относително крехки топки пясък.

Структурата може да бъде голяма само за да бъде включена в областта на нанотехнологиите, нанометърът е милиардна част от метър. В този порядък свойствата на повърхността придобиват значение. Вече има покрития, които се почистват (ефект на лотос) или например позволяват на кетчупа да тече по-добре.

Кръвният поток се ускорява в тесни области. Това привлича бучките частици, те се търкат между пръстите като пясъчни топки. Отделните наночастици валят върху щепсела и активните съставки могат да си свършат работата. В експеримент с животни екипът на Ингбер показа, че мобилното им устройство за измерване на налягането специално разтваря кръвни съсиреци. Тъй като само една хилядна от обичайната доза е достатъчна за това, опасните странични ефекти са по-малко вероятни. Ето защо наномедикаментите могат да се прилагат на мястото на извънредна ситуация, а не само в клиниката, без особени притеснения, казва Ингбер - може би животоспасяваща печалба във времето.

В сравнение с истинска подводница, наночастиците, които разпознават целта си, не са много независими. Без задвижване или управление те се разпределят в тялото и само малка част се отвежда до източника на болестта. Повишеният ефект в сравнение с класическата химиотерапия се дължи на факта, че всяка частица носи голямо количество активна съставка: цял микробус, пълен вместо само пакет. "Ние вярваме, че можем да удвоим дозата за тумора", казва Mailänder. Но дори и тогава само няколко процента от общата доза достига целта си. Ако лекарите знаеха точното местоположение на раковите метастази или кръвни съсиреци, те биха могли да осигурят още по-целенасочена терапия. След това обаче ще ви трябва устройство и контролер за нано-агентите.

Но изследователите вече работят по такива проекти, например в Института на Макс Планк за интелигентни системи (MPI-IS) в Щутгарт. Те също са базирани на примера на природата, тъй като все още никой не е успял да произведе класически корабен винт в наноразмери. Една от идеите им беше да имитират миди, гребещи във водата, като симетрично отварят и затварят черупките си и плъзгат през водата между тях.

Хапчето, което искри от стомаха, е само началото. Не след дълго малки роботи можеха да наблюдават и лекуват дори най-отдалечените кътчета на човешкото тяло.

От Hubertus Breuer

Всъщност учените са успели да построят такъв микроскопичен поплавък. За съжаление, тя не се плъзга в повечето течности - за него водата или кръвта са толкова жилави, колкото меда. Затварянето ще отнеме една крачка напред, а отварянето - една назад. Запазена е възможна употреба на специална среда, например в синовиалната течност. Защото тук работи един трик: изследователите контролират мидените черупки, така че те да се отварят бързо и да се затварят бавно. Това прави течността по-тънка.

Като алтернатива на мидите, изследователите използват определени бактерии като модели. Те се превиват през течности с бич, подобен на тирбушон. Малки тирбушони могат да бъдат произведени с помощта на нанотехнологии, като се върти въртящ се диск с атоми. Магнит върти винтовете. Тиан Киу от MPI-IS откри, че размерът наистина има значение. Физикът искаше да насочи такова превозно средство през очната ябълка на мъртво прасе.

Фон: Когато лекуват макулна дегенерация, лекарите искат да насочат ретината с лекарства възможно най-точно. Първата версия на микроплувеца се улови в мрежа от протеинови нишки, които проникнаха във водата в очната ябълка. „Трябваше да направим поплавъците още по-малки, за да могат да се промъкнат през мрежата“, казва Qiu. Новите плувци се насочиха към ретината и я срещнаха. Експериментът обаче е само доказателство, че технологията може да работи по принцип. Освен това сложната производствена технология вече забранява широкото използване в клиниките.

Стойността на рН се увеличава в близост до тумори. Това може да се използва за навигация

Винтът черпи енергията си отвън - от магнита, който го върти. Други изследователи се опитват да направят нано-подводниците си самодостатъчни. "Микро ракетите" черпят горивото си директно от течността, през която плуват. Конична тръба е облицована с катализатор, който преобразува химично съединение от околната среда. Получените мехурчета изтичат от широкия край и задвижват ракетата с откат. Най-малкият снаряд от този вид е мъничък като вирус.

Подобно на бактериите, такива нано-подводници трябва да се ориентират към сигнали от заобикалящата ги среда: гравитация например или увеличаваща се яркост. Болестите също изпращат химически съобщения; рН стойността се повишава близо до тумори, например. На прясно счупени кости се създава електрическо поле, което привлича електрически заредени наночастици, както беше показано в епруветката.

Лекарите използват рентгенова снимка на кръвоносните съдове като вид пътна карта на тялото

Такива основни изследвания все още са далеч от използването им при пациентите. Друг подход, по който работи Кристоф Алексиу от Ерланген, е може би малко по-близо до практиката. В химическата лаборатория на неговия отдел член на екипа показва колко лесно могат да бъдат насочени наночастиците. В ръката си държи епруветка, която съдържа два слоя течност: червено ръждив отдолу и прозрачен отгоре. Изследователят държи магнит в долната част и го води по стъклената стена. Червената течност пълзи по стената. Те са магнитни наночастици, които следват магнитното поле.

Такива частици вече се използват като контрастни вещества при търсене на метастази. Екипът на Alexiou обаче иска да го използва като средство за ракови лекарства. До леглото на пациента в съседната лаборатория, върху която са проведени експерименти само върху зайци и дарения, има регулируем електромагнит: задвижване и управление за нано-подводници Алексиус. „Инжектираме частиците близо до тумора“, обяснява лекарят. Тогава изследователите използват силата на електромагнита, за да ги изтеглят в съдовете на тумора. Това е така, защото те имат малко по-големи пори в стените от нормалните вени. Частиците се плъзгат през тях в нарастващата тъкан и изхвърлят смъртоносния си товар.

Няколко нови хирургични машини са на път да бъдат използвани върху хората. Можете да работите в ограничено пространство и с няколко ръце едновременно. Но те носят и ползи за пациентите?

От Борис Хенслер

Благодарение на управлението, повече от 60 процента от приложената активна съставка попада в тумора, както показват тестовете върху зайци. Ракът изчезна при почти една трета от животните след осем седмици. Дозата на раковото лекарство е била 20 пъти по-ниска, отколкото при нормална терапия.

За да подобрят насочването по маршрута, изследователите правят рентгенова снимка на кръвоносните съдове, която използват като пътна карта. „Използваме катетър, за да доведем частиците до идеалното място, за да ги пренесем с магнита“, обяснява Алексиу. По този начин те искат да избегнат частиците да се обърнат погрешно и да пропуснат тумора. В допълнение, ново рамо на робота трябва да води магнита с по-голяма точност. "По този начин се надяваме да успеем да концентрираме частиците още по-силно в тумора", казва Алексиу. Отворен въпрос е как наночастиците могат да бъдат насочени в тумори дълбоко в тялото. Тъй като магнитното поле отслабва с разстоянието от магнита. Чрез промяна на формата на магнита, изследователите искат да концентрират полето повече, така че да проникне по-дълбоко. След три години учените се надяват да извършат първите клинични тестове върху пациенти.

Така че „фантастичното пътуване“ през човешкото тяло може да се осъществи скоро. Изследователите не вярват, че опасенията относно токсичността на наночастиците предотвратяват това. „Наночастиците от железен оксид се понасят добре“, казва Алексиу. Тялото използва веществото. Volker Mailänder също успокоява: "Ние произвеждаме частиците от вещества, които тялото може да отдели."

В крайна сметка терапията не бива да завършва така, както в холивудския филм, споменат в началото. В него хирурзите-подводници случайно оставят член на екипажа и свитата подводница в тялото на пациента.