Współczesna medycyna, choć dysponuje potężnym arsenałem skutecznych instrumentów terapeutycznych, często zachowuje się jak generał, który na wieść, że w okolicy pojawiły się zagony wroga, rozkazuje nalot dywanowy. Taka taktyka niekiedy przynosi oczekiwany efekt, lecz jest niezmiernie kosztowna i powoduje poważne straty wśród ludności cywilnej.
Kiedy łykamy zwykłą aspirynę bądź paracetamol, 99 proc. ich aktywnej zawartości marnuje się i trafia do ścieków. Jak oceniają naukowcy, przeważająca część aplikowanych nam leków mija się ze swym zamierzonym celem, co powoduje w skali światowej roczne straty rzędu 65 mld dol. Jakie uboczne skutki ma na przykład próba wybiórczego zabicia komórek nowotworowych za pomocą trucizny, wiedzą dobrze pacjenci poddawani chemioterapii.
W przypadku raka ten brak precyzji nie ogranicza się do metod leczenia, lecz dotyczy także diagnozy. Wykryte w organizmie pacjenta nowotwory charakteryzuje się, opisując ich rozmiary, umiejscowienie i fakt, czy komórki rakowe rozprzestrzeniły się na inne organy. Kiedy na podstawie tak generalnej diagnozy podejmuje się decyzje terapeutyczne, często okazuje się, że pacjenci, u których wykryto identyczne nowotwory i zastosowano podobne leczenie, reagują zupełnie inaczej na interwencję medyczną – jedni powracają do zdrowia, stan innych zaś się pogarsza. Rak jest po prostu skutkiem zakłócenia normalnego przebiegu niezmiernie złożonych procesów biochemicznych w naszym ciele, które pomimo powierzchownego podobieństwa przyjmować może bardzo różnorodne formy. Aby docenić złożoność tego procesu, trzeba się przyjrzeć temu, co dzieje się w żywej komórce.
Futurystyczne marzenia
Życie jest w pewnym sensie procesem przetwarzania informacji. Każda z komórek tworzących ok. 50 różnych tkanek, z jakich jesteśmy zbudowani, zawiera w swym jądrze kompletną informację genetyczną, potrzebną do zbudowania całego organizmu. W każdej tkance jednak jej składowe komórki są wyspecjalizowane i spośród wszystkich (ok. 30 tys.) genów wykorzystują jedynie niewielką ich część. Geny te są uruchamiane (naukowo nazywa się to ich ekspresją), sekwencja łańcuchów ich DNA tłumaczona jest na podobne, choć nieco inaczej zbudowane, łańcuchy mRNA (w tzw. procesie transkrypcji), a następnie dokonywana jest translacja mRNA na cząsteczkę białka potrzebnego danej komórce do wykonywania jej biologicznych funkcji.
Aby jednoznacznie odróżnić od siebie komórki rozmaitych tkanek, porównać trzeba ok. 50 białek (lub łańcuchów mRNA), które stanowią coś w rodzaju funkcjonalnego odcisku palca danej tkanki. Pojawienie się nowotworu jest skutkiem defektu w tym systemie przekazywania informacji – mutacją DNA powodującą niekontrolowany wzrost. Ponieważ zużyte mRNA wydalane jest z komórek ciała i – zanim zostanie usunięte z organizmu – trafia do krwiobiegu, w naszej krwi znajdują się tysiące tych cząsteczek, których identyfikacja i pomiar stężenia teoretycznie może dostarczyć lekarzom pełną informację o stanie zdrowia wszystkich tkanek. Gdybyśmy – badając mRNA w pobranej krwi – potrafili zmierzyć poziom choćby 25 białek produkowanych w każdej z tkanek, wiedzielibyśmy dokładnie, który organ zaatakowany jest przez raka, jaki jest jego biochemiczny charakter i w jakim jest stadium rozwoju.
Wykonanie takiej analizy wydaje się dziś futurystycznym marzeniem, lecz postawienie precyzyjnej diagnozy okazać się może nieco łatwiejsze. Na mikroskopijnym poziomie komórki rakowe różnią się od zdrowych wieloma specyficznymi cechami – docierające do nich naczynia krwionośne są bardziej porowate, ich powierzchnia ma odmienne właściwości chemiczne i system drenujących je kanałów limfatycznych działa mniej skutecznie. Wszystkie te cechy można by wykorzystać do ich wczesnego wykrywania, gdybyśmy zastosowali do tego celu instrumenty o molekularnych rozmiarach.
Nanomedyczna przyszłość
Mając inteligentne mikroskopijne narzędzia moglibyśmy wykorzystać je nie tylko do diagnozy, lecz także do natychmiastowej terapii. Identyfikując komórki rakowe moglibyśmy precyzyjnie pokierować dostawą leków przeciwnowotworowych wprost do ich wnętrza i uniknąć ubocznych skutków chemioterapii. Choć brzmi to jak fantastyka naukowa, te techniki są już w zasięgu możliwości współczesnej nauki. Ich udoskonalenie i rozpowszechnienie wymaga jeszcze czasu oraz bliskiej współpracy fizyków, inżynierów, biologów i lekarzy, lecz wiele z nich weszło już w fazę testów klinicznych. Te nowe techniki określa się nanomedycyną.
Nanometr jest jednostką miary, którą do niedawna posługiwali się głównie fizycy atomowi. Jest on jedną miliardową częścią metra (10-9); oznacza to np., że grubość ludzkiego włosa wynosi ok. 80 tys. nanometrów (w skrócie nm). Ogromna w ostatnich czasach popularność nano w środowisku medycznym, a szczególnie wśród onkologów, wynika stąd, że taka właśnie jest przestrzenna skala procesów biochemicznych w żywej komórce, których zakłócenie jest przyczyną chorób nowotworowych. Średnica podwójnej helisy tworzącej cząsteczkę DNA wynosi ok. 1 nm, a typowy wirus, będący przyczyną wielu ludzkich chorób (także nowotworowych), ma wymiary rzędu 100 nm. Pomiędzy tymi dwoma wymiarami rozciąga się obszar działania nanomedycyny.
Dla nauki to ogromne pole do popisu. Rozmiary są ważne – okazuje się, że np. cząsteczki mniejsze niż 10 nm, a takie są wymiary wielu substancji o działaniu farmakologicznym, nawet jeśli przenikną do wnętrza komórki rakowej, usuwane są szybko z organizmu przez system filtracyjny w nerkach; cząsteczki większe od 100 nm są z kolei zbyt duże, by się łatwo do komórek przedostać. W nanomedycynie chodzi jednak o znacznie więcej niż zapewnienie nośnikom leków właściwych wymiarów – chodzi o wyposażenie ich w zdolność przetwarzania informacji i odpowiedniej na nią reakcji.
Dr Piotr Grodziński, absolwent AGH, po uzyskaniu w 1992 r. doktoratu w dziedzinie nauk materiałowych w University of Southern California w Los Angeles i kilkuletniej pracy w Motoroli i Los Alamos Laboratory, jest obecnie dyrektorem programu Nanotechnology for Cancer w amerykańskim Narodowym Instytucie Raka w Bethesda. Jego zdaniem, z ponad 3 mld dol. wydanych w USA na badania i wdrożenia w ubiegłym roku w dziedzinie nanotechnologii mniej więcej połowę tej sumy przeznaczono na badania medyczne. Grupa Robocza ds. Nanotechnologii w Narodowych Instytutach Zdrowia, której współprzewodniczy, przyznaje corocznie ponad 200 mln dol. grantów na badania, które wykroczyły już w fazę testów klinicznych. Pierwsze testy dotyczą na ogół nowych metod precyzyjnego dostarczania konwencjonalnych leków do chorych komórek. Wykorzystuje się fakt, że cząstki o nanometrowych rozmiarach, wytwarzane w ściśle kontrolowany sposób, są nie tylko odpowiednio małe, by przeniknąć do cytoplazmy chorych komórek, lecz mogą także być transporterami leków oraz odróżnić chorą komórkę od zdrowej.
Jak to możliwe? W prostym przypadku lek może być zapakowany w mikroskopijne złote sferyczne skorupki (nanoshells) o wymiarach, które sprawiają, że będą się koncentrować w komórkach rakowych. Poza tym do powierzchni nanocząstki transportującej lek mogą być chemicznie przytwierdzone czujniki w postaci przeciwciał rozpoznających chore komórki. Inne, także doczepione do nanocząstki, molekuły mogą służyć z kolei jako klucz otwierający całemu agregatowi wstęp do wnętrza komórki.
Jednym z testowanych instrumentów nanomedycznych jest cząsteczka nazwana dendrymerem (z racji swej rozgałęzionej, podobnej do drzewa struktury). Ma ona ponad setkę mikroskopijnych (czy raczej nanometrowych) haczyków, do których można doczepiać chemiczne cząsteczki o rozmaitych funkcjach – na przykład kwas foliowy, który jako witamina przepuszczany jest przez błonę komórkową, zaś do innych lek przeciwrakowy. Ponieważ na powierzchni komórek rakowych znajduje się znacznie więcej receptorów witamin niż na zdrowych komórkach, lek ten będzie koncentrował się selektywnie w chorych tkankach. Tę właściwość selektywnego wyłapywania niektórych substancji wykorzystuje się także w tzw. terapiach celowanych, oszczędzających pacjenta, w których pociskami przeciwrakowymi są przeciwciała monoklonalne (POLITYKA 21/05).
Inteligentna broń
Nanotechnologia pozwoli wcześniej i dokładniej wykrywać zmiany nowotworowe. Już dziś opracowywane są nowe metody diagnostyczne, oparte na opisanej zasadzie. Przytwierdzone do nanometrowych czujników przeciwciała reagujące ze zmutowanymi cząsteczkami rakowymi powodować mogą w swym nośniku łatwo wykrywalne zmiany fizyczne, sygnalizujące obecność minimalnej nawet liczby chorych komórek.
Przyszłość nanomedycyny, zdaniem dr. Grodzińskiego, należy do tzw. platform wielofunkcyjnych – instrumentów nanometrowych, dokonujących zarówno diagnozy, jak i podejmujących działania terapeutyczne. Będzie to inteligentna broń w wojnie przeciwko nowotworom, która działać będzie na zasadzie znajdź i zniszcz.
Prognozowanie przyszłości nanomedycyny jest jednak zajęciem ryzykownym – rzeczywistość może bardzo szybko prześcignąć nasze najśmielsze oczekiwania. Kiedy po raz pierwszy odczytana została w 2003 r. sekwencja nukleotydów w ludzkim genomie, wykonanie tego zadania kosztowało ok. 800 mln dol. Przed paroma miesiącami dwójka badaczy z Princeton University, Robert Austin i Stephen Chou, ogłosiła, że zastosowanie do sekwencjonowania DNA nanotechnologicznej metody, nad którą pracują, powinno za parę lat obniżyć tę cenę do ok. 100 dol.
Metoda ta pozwoli też na pobieranie tanich genetycznych odcisków palca wszystkich tkanek naszego organizmu i szybką diagnozę jakichkolwiek zakłóceń w ich funkcjonowaniu. Nanomedycyna otworzy więc zupełnie nowe możliwości w diagnozowaniu i leczeniu wielu chorób.