Horváth Balázs: Rák a XXI. században

Nanotechnológiával a rák ellen

Bevezető

A nanotechnológia valójában nem tudomány, hanem szemléletmód, ami összekapcsolja a különböző természettudományokat, elsősorban a kémiát és a fizikát. Az élet szinte minden aspektusában fel lehet majd használni, a nanoméretű arany integrált áramköröktől kezdve a folyadéklepergető textilig. A legnagyobb forradalom azonban az orvostudomány terén következhet be, hiszen a 10^-9 méter mérettartományban történő anyagmanipuláció végtelen lehetőséget nyújt, köztük a célzott hatóanyag-szállítást. Ez különösen a rákos megbetegedések miatt fontos, ugyanis a jelenleg alkalmazott kemoterápiás módszerek köztudottan pusztítják az élő szervezetet is. Egy nanoméretű gyógyszer azonban képes átjutni a nagyobb méretű ráksejtek között, közvetlenül belülről semmisítve meg a daganatot. Szintúgy fontos a rák korai diagnosztizálása, ami az úgynevezett „quantum dot”-okkal (továbbiakban QD) jelentősen fejlődhet.

"okos gyógyszer"

A rák elleni nanotechnológia központja, avagy az NCINI

Az NCINI mozaikszó a National Cancer Institute Nanotechnology Initiative (Nemzetköti Rákintézet Nanotechnológiai Kezdeményezés) szót takarja magában. A Nemzetközi Rákintézet igazgatója, Dr. Andrew C. von Eschenbach azt a célt tűzte ki, hogy 2015-re véget vetnek a ráktól való szenvedésnek. Ezen ambíciózus cél eléréséhez új megközelítésre, eszközökre és újfajta megelőzésre, felismerésre és kezelésre van szükség. A nanotechnológia ezt mind magában hordozza, nem hiába fektettek bele 144,3 millió dollárt. A kezdeményezés célja, hogy összehozza a tudomány különböző területein dolgozó tudósokat egyetlen közös célért: a rákbetegek megsegítéséért. A szövetég első lépései közé tartozott az NCL (Nanotechnológiai Karakterizáció Laboratórium) létrehozása, amely több más szervezettel működik együtt. Az NCL fő céljai közé tartozik az előklinikai tesztelés hagyományosítása, toxikológiai tesztelés, más kormányszervekkel való együttműködés és még sok minden más. A szövetség fő céljai a következők:

A rák megelőzése és kordában tartása nanoszintű eszközök segítségével, mint például liposzómák, egyéb vakcinák.

Korai észrevétel beültethető, stabil molekuláris szenzorokkal.

A diagnosztizálás feldolgozása, képileg, célzott nanorészecskék segítségével, melyek egyenként képesek feltérképezni a rákos sejteket.

Multifunkcionális terápia, például QD-k segítségével, vagy olyan kis részecskékkel, melyek képesek kontrollálni a gyógyszeradag-leadást, miközben mutatják a kezelés hatékonyságát.

Életminőség növekedése rákkezelés során, a célzott kezelésnek köszönhetően kiküszöbölhetők lesznek az olyan tünetek, mint a fájdalom, hányinger, étvágyvesztés, depresszió stb.

Komplex képzés, globális együttműködés a tudósok közt, azaz a nanotechnológia összekapcsolása más fontos tudományokkal, olyan tudósok képzése, akik mind a rákbiológiában, mind nanotechnológiában járatosak.

A nanotechnológia használata a rák diagnosztizálásában és biológiai feltérképezésben

Az élő sejtek és egész szervek molekuláris képfeldolgozása fontos eszköz a rák biológiájának tanulmányozásához és a tumorellenes terápiák hatékonyságához. Ezen a területen hatalmas segítséget nyújthatnak a QD-k. De mit is rejt ez a név? A QD-k olyan 1-10 nanométer nagyságú nanokristályok, illetve nanorészecskék, amelyek egyedi fotokémikus és fotofizikus tulajdonságokkal bírnak. A méretüktől függően a QD-k, eltérő hullámhosszokon gerjesztve, más-más színben világítanak. Általánosságban: egy kisebb részecske rövidebb hullámhosszon világít, mint egy nagyobb. A stabilitásuk és a többszínű fluoreszkáló-képességük tökéletes reagens anyagokká teszik a QD-ket mind a molekuláris és celluláris szintek, mind egész szervezeti szintű feltérképezéséhez.

a fényhatás

Léteznek egyéb nanorészecskék is erre a célra, de pillanatnyilag a QD-k tűnnek a legalkalmasabbnak rákkutatásokhoz. Módosított QD-k robusztus belső fluoreszkáló szondaként használhatók rákjelölő anyagok felkutatásához. QD-ket lehet kapcsolni az immunglobulinokhoz, melynek segítségével fluoreszkáló térképeket lehet analizálni különböző elő vagy mozdulatlan sejtekhez kapcsolódó antigének felkutatásához. Több előnye is van a QD-k használatának: a jel erőssége sokkal fényesebb és a fotostabilitásuk sokkal jobb, mint más fluoreszkáló molekulának. Ráadásul a QD-ket hosszú távú élősejt-megfigyelésre is lehet alkalmazni. A QDt ugyanis a sejtfelületre lehet irányítani antitestek segítségével, majd a sejtet heteken keresztül lehet követni, a fluoreszkálásból származó adatokat pedig többszörösen felvenni. Egy másik érdekes felhasználás az élő sejtek „optikai kódolása” gyógyszervegyülettel teli felületeken. A kevert sejtpopuláció analizálásához a sejteket különböző méretű QD-kkel fecskendezik be, majd a sejttípusokat a különböző hullámhosszon keletkező fény alapján meg lehet különböztetni. Több mint 100 különböző kód elkészítése lehetséges, ami rengeteg variációt nyújt az összetett analízisekhez.

Egy különálló sejt analízisén kívül egész szervek vagy tumor részek felismerése az elő szervezetben kritikus a rákbiológia és terápia szempontjából. Egy korai 2002-es tanulmányban (3) QD-tal körülvett tüdőkövető anyagot fecskendeztek be intravénásan egy tüdőrákos szervezetbe a QD-k lokalizációjának és feltöltődésének demonstrációjához, majd két különböző anyagot használtak szondaként a tumorral kapcsolatos vér és egyéb erek felkutatásához. Ez a tanulmány kitűnően mutatja, milyen hasznosak a QD-k különálló belső szervek vagy szövetek megtalálásához, amelyek potenciálisan hasznosak lehetnek különböző kórok felfedezésében vagy a gyógyanyag-szállításban. Egy másik tanulmány (4) egereken kimutatta, hogy a QD-k segítségével öt különböző sejtpopuláció követhető.

Sok rákos megbetegedés során a diagnózis és a prognózis fontos befolyásoló tényezője a nyirokedények aktuális működése. Az őr nyirokedény (az első nyirokcsomó a nyirokrendszerben, amelyet a tumor elsősorban szipolyoz ki), gyakran célja onkológusok sebészi beavatkozásainak, de nem könnyű felismerni vagy vizualizálni. Egy újfajta nanorészecske, az úgynevezett „majdnem-infravörös II-es fluoreszkáló típusú quantum dot” (5), használható az őr nyirokedény megjelöléséhez, ezáltal a feltérképezéséhez és követeséhez. Ezek a majdnem-infravörös QD-k hasonlóak a fentebb leírtakhoz, kivéve azt, hogy az általuk gerjesztett hullám pont kívül esik az emberi fényérzékelő-spektrumon, szinte infravörös. Az infravörös QD-k előnye az, hogy sokkal mélyebb szövetrétegeket képesek felderíteni, mint a szabad szemmel látható társaik. Ezzel a QD technológiával a sebész folyamatosan képet kaphat a nyirokedényről, valósidejű képi megjelenítést tesz lehetővé szervműtét során. Ezáltal az operáció sikerességének meghatározására is szolgál. A sikeres operáció után eltűnik a koncentrált QD fluoreszkálás a nyirokedény területéről.

A QD-k legígéretesebb felhasználása az elő szervezetben történő rákfelismerés és diagnosztizálás. Egereken történő kísérlet bemutatta (6), hogy multifunkcionális nanorészecske-szondák képesek ezekben az állatokban rákot keresni és ott megmaradni, megengedve ezáltal az élő állatban történő tumorfeltérképezést. A részecskéket a szervezeten belül történő lebomlástól különböző polimer-rétegek védték meg, pl. polietilén-glikol molekulák a biokompatibilitás miatt és antitestek a tumor antigénjei ellen. Különböző QD-k használatával a kísérlet vezetői könnyedén képesek voltak rák-tumor xenográfokat elképzelni az egész állatban. Az ezekben a tanulmányokban használt QD-k csak a tumor kimutatásához voltak használatosak, belső feltérképezésre nem. A fentebb említett majdnem-infravörös részecskékkel azonban képes lehet létrehozni reagenseket, pl. mágnesezhető nanorészecskékkel, melyek segítésével a tumor vizualizálható, megelőzve más felesleges beavatkozásokat. A multifunkcionális QD a gyógyszerszállításban is szerepet játszhat, egy sokoldalú platformot teremtve ezzel mind a diagnosztizálás, mind a terápiák terén.

A megelőzés a rák legjobb ellenszere, de ha ez nem sikerül, a korai felfedezés hatalmasan megemeli a túlélési esélyeket. Nem is beszélve arról, hogy egy kisebb tumort sokkal könnyebb eltávolítani, mint egy nagyobbat, szétterjedtebbet. RNS vagy DNS jelölők a levált tumorból a keringésben analizálhatók az ún. polimeréz láncreakcióval (polymerase chain reaction=PCR) vagy másfajta hasonló technológiákkal, de a tumor-proteinjelzős módszer még informatívabb. A fő probléma ezekkel a protein alapú analízisekkel az, hogy nagyon kevés tumor-típusú molekula van a plazmában a rák korai stádiumában.

Egy új módszer, az ún. ;"nanorészecske- alapú biogát kódok ;" megengedik bármennyi protein ultraérzékény felismerését, amennyiben megfelelő mennyiségű antitestek érhetők el. A vizsgálat (9, 10, 11) során kétfajta szondát használnak fel: egy mágneses 1 mikrométer átmérőjű mikrorészecskét, tumor-antigén antitesttel felszerelve, és egy tíz és harminc nanométer átmérő közötti arany nanorészecskét, amely az antigénnek megfelelő antitesteket tartalmaz. A két szonda szendvics-szerűen szűri ki a tumorproteint, amely a PCR módszerrel pontosan megtalálható Ezzel az eljárással kevesebb, mint 30 proteinatom (!) fedezhető fel, amely elég érzékeny adat a korai stádiumú rák észleléséhez.

Az alacsony molekulasúlyú (LMW) régiója a vérnek úgy tűnik, fontos biojelzőket tartalmaz a rák észleléséhez és diagnosztizálásához. Ezek az LMW proteinek általában nagyon alacsony mennyiségben találhatok meg és nehezen észlelhetők a legerősebb spektrometriás módszerekkel. Azonban az új mikro- és nano-„fabrikálós” módszerekkel lehetséges kiszűrni és koncentrálni az LMW molekulákat, így könnyedén analizálhatók az érzékenyebb technikákkal. Ez is egy tökéletes példa arra, hogyan kerül középpontba a nanotechnológia a klinikai kutatásban és analizálásban a rák terén (is).

Nanotechnológia a rákgyógyszer szállításában

Talán ezen a területen van a nanotechnológiának a legnagyobb hatása a rákellenes terápiákban, hiszen már a bevezetőben is említettem, milyen fontos a célzott hatóanyag. Szinte az összes gyógyszer hatékonysági indexe emelkedne, ha közvetlen a célhoz sikerülne eljuttatni. Néhány olyan gyógyszert, ami korábban elbukott a klinikai vizsgálatokon, újra lehetne vizsgálni nanotechnológiai módszerek segítségével. A legnagyobb baj ezekkel a gyógyszerekkel az, hogy nehezen oldhatók fel. Ha azonban nanokristályokba rendezzük a hatóanyagot, máris könnyedén feloldhatjuk őket. Ezáltal azt is elérjük, hogy tovább maradjanak a szervezetben, lehetővé téve az időzített hatóanyag-leadást.

Ezt egy másik módon is elérhetjük: kombinálhatjuk a hatóanyagot organikus nanorészecskékkel, amelyek tovább keringésben tartják az anyagot. Ez főleg a központi idegrendszer daganatos megbetegedéseinél fontos, mert az eddigi hatóanyagoknak rendkívül nagy gondot okozott a véragy-gáton való átjutás, míg a nanoméretű rákgyógyszerek itt könnyedén átjutnak, ezáltal is növelve az agytumoros beteg esélyeit.

A legjobb módszer a rákellenes gyógyszer hatékonyságának növelésére és a gyógyszer mérgező hatásának csökkentésére az, hogy a gyógyszer közvetlenül a célhoz juttatjuk el. A hatóanyag hordozásában fontos szerepet kaphatnak a liposzómák. A liposzómákat elsőként A. D. Bangham és munkatársai írták le 1965-ben (7). Megfigyelték, hogy a spontán kialakuló lecitin-folyadékkristályokon az egyértékű kationok és anionok hasonlóképpen diffundálnak át, mint ahogy a biológiai membránokon átjutnak. A liposzómák spontán szerveződő kolloidális méretű részecskék (nagyságuk 0,025 mmt-ől 2,5 mm-ig terjed), amelyek magukba zárják az őket körülvevő közeg egy részét. A kisméretű liposzóma gömböket kettős membránréteg veszi körül, ugyanúgy, ahogy a sejteket a szervezetben is biológiai membrán határolja. Ez a feltűnő hasonlóság volt Bangham felismerésének alapja. A mai liposzóma-technológiával nem bonyolult sejteket szállítani génterápiához, de a terapeuta gén sérülhet, ha nem képes eltávolodni az endoszómától. Ennek az érdekében szintetikus pH-érzékeny anyagot adnak a gyógyszer-liposzóma komplexumhoz.

  a dendrimerek szerkezete

A dendrimerek is tökéletesek hatóanyag-szállításra. A dendrimereket úgy kell elképzelni, mint egy szerteágazó fát, melynek minden ága más-más célt szolgál:

1. megvédi a molekulát

2. feltérképezi a molekulát

3. felismeri a tumort

4. a hatóanyagot tartalmazza és adja be

5. megerősíti a tumor elpusztítását.

Új gyógyszeres kezelések a nanotechnológiával

Tulajdonképpen minden gyógyszermolekula természetes vagy mesterséges nanotervezés eredménye. Például a leggyakrabban használt és leghatékonyabb gyógyszer, a hétköznapi aszpirin körülbelül 0,6 nanométer nagyságú. A „nagyobb” helyeken a terapeuta antitestek 30 nanométer nagyságúak. Sok átlagos protein, mint például a hemoglobin, 5 nanométer átmérőjű, akárcsak a terápiákon használt más proteinek. A kettős spirálú DNS 2,5 nanométer széles, de teljesen 2 méter hosszú az emlősök sejtjeiben, ami egy lenyűgöző példa a „nanopakolásra” egy 2-5 mikrométer átmérőjű sejtben. A vegyészek már évtizedek óta nano- és nanoméretek alatti gyógyszerkomponenseket alkottak és manipuláltak, és így is fogják folytatni a belátható jövőn belül. A különbség az, hogy most már különböző szakterületű tudósok is körbe fogják őket venni, jó példa erre a nanoméretű aranygolyó a tumor ellen.

Mik a követelmények egy hatékony és biztonságos rákgyógyszernek? Először is megfelelő dózisú hatóanyagnak kell benne lenni, amely pont elpusztítja a tumort a szervezet sértése nélkül. A célnak szorosan elkülönítve kell lennie, a pontos adagolás miatt. A gyógyszernek magas mérgező hatással kell lennie a tumorra. A nanogyógyszerek kutatása során ezeket a tényezőket mind figyelembe kell venni. Az alábbiakban néhány példát fogok említeni a közelmúltban kifejlesztett rákellenes nanogyógyszerekről.

A monoklonális antitestek ideális komponensei lesznek a rákkezelés új hullámainak. Már most eszközök készítésére, gyógyszercélzásra, hatóanyag-szállításra, sőt gyógyszerként is használják őket. Kilenc vagy több ilyen antitest elfogadott hivatalosan a rák klinikai kezelésnél, és további húszat vizsgálnak.

A gyógyszerek Szent Gráljának számít a kisméretű, proteinekéhez hasonló tulajdonságokkal bíró molekulák tervezése és előállítása. A nanotechnológia eredménye rengeteg új gyógyszer lesz, például mágneses nanorészecskék megóvhatnák az embert a sugárfertőzéstől, vagy a röntgennel követhető kristályszerkezetű gyógyszerek.

A nukleinsavakból származtatott gyógyszerek kezdenek feltűnni a nanotechnológia színterén. Sikeresen tesztelték ezeket a gyógyszereket prosztata, mell, tüdő és agydaganotok esetén, ahol a nukleinsavak az eredeti hatóanyagot erősítették fel. Nanoliposzómákban juttatják el eme gyógyszereket a ráksejtekhez, amelyek blokkolják a sejtek receptorait. A művelet a ráksejtek pusztulásához vezetett. Ez is jó példa arra, hogyan lehet a nanotechnológiával a létező gyógyszerek hatékonyságát növelni, miközben a csökkentjük a mérgezést.

Egy másik lenyűgöző alkalmazás a rák immunterápia vagy vakcina. Az emberi test képes elpusztítani kisebb tumorokat az immunrendszer aktiválásával, de egy bizonyos pont után a tumor képes deaktiválni a mechanizmusokat, amelyek beindítanák az immunrendszert. Ha sikerül találni egy eljárást, ami aktiválja az immunrendszert a tumor ellen, akkor a test önmaga képes lenne elpusztítani a rákot, és így minden rákfajta érzékeny lehetne erre az immunterápiára. A tumor elleni antigének nem olyan erősek önmagukban, így hatásfokozóra van szükségük. Egy újfajta vakcinát fejlesztettek ki (8), amely az antigéneket keménymagú nanogyöngyökbe rendezi. A gyöngyöknek pontosan meghatározott méretük (40-től 50 nanométerig) van, ami megengedi nekik a szipolyozott nyirokedény helyének meghatározását. Egy egyszeri antigén-gyöngy dózis képes volt egerekben hirtelen gyorsasággal eltüntetni előrehaladott daganatokat.

A rákos immunterápia talán végre elhozhatja a nem kemoterápiás kezelések korszakát. Egy másik ígéretes módszer a hővel történő tumorpusztítás. Ennek a kezelésnek azonban vannak hátulütői. A szervezeten belül mélyen fekvő tumorok pusztítása során az egészséges szövetek is sérülhetnek. A probléma megoldására kifejlesztettek egy módszert, mely során csak külön a tumor sejtjeit melegítik. Ezt közel-infravörös-elnyelő arany nanorészecskékkel, ún. nanohéjakkal érik el. A nanohéjak szilikátmaggal rendelkeznek, melyet egy vékony aranyréteg vesz körül, ami elnyeli az energiát (felmelegszik), ha bizonyos hullámhosszú fény éri. A közel-infravörös jellegzetességeket azért választották, mivel a normál szövetek csak minimális mennyiségben nyelik ezt a hullámhosszú fényt. Egereket beinjekciózták nanohéjakkal, eredményesen. Ez a módszer átveheti a tumor sebészi úton való eltávolításnak helyét. Egyre világosabbá válik, hogy a rákot nem lehet veszteségek nélkül eltávolítani, de a nanotechnológia segítségével a károk minimálisra csökkenthetők.

Végszó

A jó hír az, hogy először 2005-ben a 85 év alatt szívbajban elhunytak száma kevesebb volt, mint rákban elhunytaké. A rossz hír az, hogy rákban többen haltak meg, mint keringési betegségben. Ha a tumor okozta halálesetek száma olyan arányban csökkenne, mint a szívbetegeké, a rák már ritka betegségnek számítana. Ehelyett a rák halálossága maradt a régi, míg a szívbetegségek felükre csökkentek. Habár egy rákos megbetegedés összetettebb, mint egy keringési betegség (ez vitatható álláspont), nem lehet figyelmen kívül hagyni, hogy az életmódváltás (pl. dohányzás megszüntetése) és a nanotechnológiának, valamint más fejlett technológiáknak köszönhető új gyógyszerek/gyógymódok meghozhatják ezt a változást a következő évtizedekben. Az emberiség jelentős lépéseket tett ez idáig ennek a már Hippokratész által is leírt kórnak a legyőzésén. Végsősorban nem is tűnik naivitásnak, inkább optimizmusnak az a tény, hogy 2015-re megszabadulunk a ráktól. Egy egész tudástár koncentrál e betegség elpusztítására, ilyen sokat betegség ellen még nem tettek. Még tovább gondolva, 2015-re a nemzetközi tudományos alapítvány alapján a nanotechnológiába 1 trillió dollárt fognak befektetni, aminek jelentős részét rákkutatásra fordítják. Az esélyek egyre jobbnak tűnnek. Az ember mindig is képes volt véghezvinni a lehetetlent. Reméljük most is sikerül majd.

Felhasznált irodalom:

1. Ernest S. Kawasaki, PhD; Audrey Player, PhD: Nanotechnology, nanomedicine, and the develpoment of new, effective therapies for cancer;

2. Forbes/Wolfe: Nanotech Riport, Nov 2003, Volume 2, Number II

3. Akerman ME, Chan WC, Laakkonen P, Bhatia SN, Ruoslahti E.: Nanocrystal targeting in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A 2002;99: 12617- 21.

4. Voura EB, Jaiswal JK, Mattoussi H, Simon SM.: Tracking metastatic tumor cell extravasation with quantum dot nanocrystalsand fluorescence emission-scanning microscopy. Nat Med 2004;10: 993- 8.

5. Kim S, Lim YT, Soltesz EG, De Grand AM, Lee J, Nakayama A, et al.: Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymphnode mapping. Nat Biotechnol 2004;22:93 - 7.

6. Gao X, Cui Y, Levenson RM, Chung LW, Nie S.: In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nat Biotechnol 2004;22:969- 76.

7. http://www.sulinet.hu/cgibin/db2www/ma/et_tart/lst?kat=Aeao&url=/eletestudomany/archiv/1999/9915/diakoldal/diakegeszs/dikegszs.htm

8. Fifis T, Gamvrellis A, Crimeen-Irwin B, Pietersz GA, Li J, Mottram PL, et al.: Size-dependent immunogenicity: therapeutic and protective properties of nano-vaccines against tumors. J Immunol 2004;173: 3148- 54.

9. Georganopoulou DG, Chang L, Nam JM, Thaxton CS, Mufson EJ, Klein WL, et al. Nanoparticle-based detection in cerebral spinal fluid of a soluble pathogenic biomarker for AlzheimerTs disease. Proc Natl Acad Sci U S A 2005;102:2273- 6.

10. Keating CD. Nanoscience enables ultrasensitive detection of AlzheimerTs biomarker. Proc Natl Acad Sci U S A 2005;102:2263 - 4.

11. Nam JM, Thaxton CS, Mirkin CA. Nanoparticle-based bio-bar codes for the ultrasensitive detection of proteins. Science 2003;301: 1884- 6.