Konecz László: A Nanotechnológia alkalmazása az orvostudományban

Nanotechnológia. Elég széles körben ismert ma már ez a tudományág, hála a médiának és a nagy nyugati országoknak, akik dollár-milliárdokat ölnek a kutatásokba. De valójában mi rejtőzik a szó mögött? Mire tudjuk felhasználni a kutatási eredményeket? Mire leszünk képesek az alkalmazásukkal? Egyáltalán honnan ered ez a tudomány, ez az elnevezés? A következő oldalakon igyekszem ezekre a kérdésekre is választ adni

A nanotechnológia tudomány régebbi, mint azt legtöbben képzelnénk. Az elnevezés Richard P. Feynman-től származik 1959-ből. Az ő ötletei voltak az úgynevezett nanobotok, amelyek még ma is a tudományos fantasztikum világában léteznek csak. Egyik első ismert felhasználási ötlet a szívsebészethez köthető: a véráramba juttatnának apró nanobotokat, amelyek a szívhez eljutva kijavítanák a hibát, így nem lenne szükség a veszélyes szívműtétekre. Feynman úgy gondolta, hogy nagyméretű gépektől elindulva, amelyek egyre kisebb gépeket gyártanak, majd azok még kisebbeket, végül eljuthatunk az atomi méretekig.

Persze a mai értelemben vett nanotechnológiának pont ellentétes a lényege. Nem a nagyból kiindulva haladunk a kisebb felé, hanem atomokból építkezünk. A nanotechnológia a kémiával ás a fizikával rokon anyagtudomány. Lényege -, mint az feljebb is írtam -, hogy az anyagokat nanométeres mérettartományban, molekuláris szinten tudjuk befolyásolni. És bár szem előtt tartják Feynman álmát, a nanotechnológia nem az apró robotokról szól.

A jelenlegi kutatások a nanotechnológia jelenleg legjelentősebb és leghasznosabbnak tűnő ágában, az orvostudományban folynak, ahogy azt már Feynman is megálmodta. Néhány eredményt már ma is fel tudnak mutatni, de az igazi áttörések 5-10 éven belül következnek be. A nanotechnológia eredménye pontosabb, jobban irányítható, sokoldalúbb, megbízhatóbb és költséghatékonyabb gyógyászat lesz, amely mind az orvosok, mind a betegek számára lényegesen jobb, mivel az orvosi eszközök és az életminőség javulását eredményezi. A nanogyógyászatot 96 kisebb kategóriára osztják és ezeken belül rengeteg kísérletezés folyik. Persze az egyik legismertebb a rák kezelésére irányuló kutatás, én azonban mégis a kevésbé ismert módszerekre térnék ki. Ezekből a kísérleti módszerekből és jövőbeli tervekből mutatok egy kis ízelítőt:

Immunizoláció

Az egyik legegyszerűbb: egy hártya lyukakkal, úgynevezett nanopórusokkal. Elve, hogy csak bizonyos molekulák jutnak át ezeken a réseken. 1997-ben hozta létre Desai japán tudós és csapata. E mögé „rejtik el” az immunrendszer elől a patkány- vagy disznóhasnyálmirigyet cukorbetegeknél. A pórusokon átjut az oxigén és cukor, valamint az inzulin, így a szervezetben az idegen szerv hetekig életben marad és termeli az inzulint. Ezen eszköz nélkül az immunrendszer kivetné az idegen szervet. A módszer hasznos bármilyen enzim vagy hormonhiányos betegség kezelésére is. Akár agysejtek beültetését is lehetővé teszi a jövőben, ezzel kezelve lehetővé téve a Parkinson illetve Alzheimer-kór kezelését.

Zárt nanorosta

Az előző módszernek egyik továbbfejlesztése: a pórusokat zárhatóvá tették. Nishizawa japán tudós és csapata alkotta meg 1995-ben a Colorado Egyetemen. Aranyból készült nanocsövekbe áramot vezetetett, így azok vagy csak pozitív vagy csak negatív részecskéket engedtek át. Ma már a pórusok méretének, alakjának, a töltések nagyságának állításával precízen irányítható szerkezet jött létre. Ma már nemcsak töltés áramoltatására képesek, hanem molekulák és enzimek megkötésére illetve átengedésére, és így bioszenzorok létrehozására, illetve gyógyszer-hatóanyagok és kémia reakciók egymástól való elkülönítésére.

Fullerén-alapú gyógyszerek

A 60 szénatomból felépülő labda alakú molekula nagyon sok lehetőséget rejt. Már ma is sok gyógyszer alapja, mert nagyon sokoldalúan felhasználható és nagy mennyiségben sincs mérgező hatása, illetve az immunrendszert sem indítja be. Vírus- és baktériumölő szerek hordozója lehet, vagy később akár a rák vagy Parkinson-kór gyógyításhoz használt anyagok célba juttatására is felhasználhatják.

Nanopáncélok

Halas és West nevű tudósok kifejlesztettek egyfajta infravörös fényre érzékeny, két különböző fémből felépülő páncélt, amelyben ismételten a gyógyszerek biztonságos adagolása valósítható meg, mert így a gyógyszer sértetlenül eljut a megfelelő helyre, és fénystimulálásra fejti ki a hatását, csak ott, ahol kell. Ez akár inzulin-adagolásra is jó, hiszen egy egyszerű infravörös lámpával aktiválhatóak a beültetett inzulin-tárolók, így nem kell naponta injekciózni magukat a betegeknek. Hasznosítható lehet még a mikroszkopikus tumorok eltávolítására is.

Egyszerű vírus detektorok

Lieber csapata járt sikerrel ezen a téren. Egy nanorostát egészítettek ki vírus-antitestekkel, amelyek elektromos jeleket küldtek, ha vírussal érintkeztek. A berendezés egyelőre csak a folyadékban oldott vírusok kimutatására alkalmas. De a különböző elektromos jelek és kapcsolódási idők miatt képes a különböző vírusok megkülönböztetésére is. Fejlesztésével egyre több vírus felismerése válik majd lehetővé, és pár éven belül a gyakorlatban is alkalmazásra kerülhet.

Tektodendrimerek

A dendrimerek fa alakú szintetikus molekulák, amelyeket szabályos ágaztatás-technikával alkottak meg. Baker és Tomalia csapatainak több ilyen különböző funkciójú dendrimernek a kombinációjával egy multifunkciós felismerő, hordozó és gyógyító eszközt sikerült létrehoznia. Funkciója a beteg sejt megtalálása, megkötése, majd a hatóanyag közvetlen, célzott célba juttatása Ez egy Lego-szerű rendszer és a különböző molekulák kombinációjára épül. Akár specifikus rákos sejtek elpusztítására alkalmas ilyen molekulákat is elő tudunk majd állítani… már hatféle rák felismerhető. 3-5 év múlva talán működni fog ez a módszer, attól függ mennyi időbe telik beazonosítani a megfelelő fehérjéket.

Biológiai „robotok”

Baktérium-alapú robotok kialakítása válik lehetővé hamarosan kb. 300 gén felhasználásával. Ez már elég egy működőképes mikrobot előállítására. Ezek beprogramozhatóak lesznek enzimek, vitaminok, hormonok előállítására, vagy mérgek és kórokozók elnyelésére és elpusztítására, vagy akár hasznos ipari feladatokra. 2003-ban az Ega Biotudományok intézet ért el eredményeket a gének születésének folyamatában, az élet „operációs rendszerének” megértésében. A kutatás során több, mint 1 millió protein kódját ismerték fel és jegyezték le, és több, mint 200 szintetikus gént állítottak elő, amely már megközelíti a szükséges 300-at. A legnagyobb mesterségesen előállított gént is ők hozták létre, ami több mint 16.000 egységből állt. Az általuk fejlesztett szoftver képes megfelelő DNS-kódokból szintetizálni az adott gént. A jelenlegi cél egy 100.000 egységből felépülő gén megalkotása. Ez már elég egy egyszerű baktériumi génsor megalkotására. Az Alternativ Bio Energiai Intézetnek 3 éve és évi 3 millió dollárja van, hogy megalkosson egy élő organizmust, amelyhez Mycoplasmagenitalium nevű apró baktérium génállományát használják fel remélve, hogy meglesz a megfelelő adat. Furcsa módon ezen robotok megjelenése is a közeljövőben várható, 3-5 éven belül.

Bár ezek a fejlesztések nagyon fantasztikusan hangzanak, az igazi csemegéket és érdekességeket a végére hagytam. Ezek már szinte a tudományos fantasztikum világát képezik, de hihetetlen módon akár 10-20 éven belül beléphetnek az orvosi arzenálba a nanobotok és egyszerűbb molekuláris gépek. Lehetőséget kapunk a legnagyobb járványok megfékezésére, az öregedés legyőzésére és a születési rendellenességek kijavítására is. A nanobotok a ma ismert legstabilabb molekula-elrendezéssel fognak rendelkezni: tetraéderes térszerkezettel. Ezeknek a gépeknek az előállítása azonban nem lesz egyszerű. Kísérletileg még csak szilikátokkal és hidrogénmolekulákkal alkottak ilyen szerkezetet, de a nanobotokhoz szükséges szerves vegyületekkel még nem sikerült. Most pedig következzen pár ilyen csodagép és egy nagyon különleges módszer:

Respyrocite

Egy mesterséges vörösvérsejt, amely különleges szerkezetének és kialakításának köszönhetően 236-szoros mennyiségű oxigént képes biztosítani a sejteknek. 18 milliárd szabályos tetraéderes szerkezetben rendeződő atom építi fel. Valójában egy molekuláris szempontból óriási méretű tartály, amely 3millió oxigénmolekulával tölthető fel, amelyeket ellenőrzötten képes elosztani. Érzékelők segítségével azonosítja be, milyen gázt kell az adott sejthez vagy sejttől szállítania. Ezzel csomó vörös vérsejtekkel vagy egyszerűen a vérrel kapcsolatos probléma megoldható és az ember teljesítőképességének határa is a végletekig kitolható.

Microbivore

Az előző nanobot párja: egy mesterséges fehérvérsejt. Feladata ugyanaz, mint a valódi fehérvérsejté, csak sokkal hatékonyabban végzi el annál. A felszínén megtapad a korokozó a speciális megkötő molekuláknak köszönhetően, majd ezeket a megkötött kártevőket a robot a belsejébe húzza, és ott lebontja ártalmatlan anyagokra -, mint például víz vagy szén-dioxid -, majd visszajuttatja a szervezetbe. Alig percek alatt képesek lesznek megszüntetni bármely betegséget és az élettartamuk is jóval hosszabb a normális fehérvérsejtekénél.

Kromoszómacserés terápia

Az orvosi nanobotok akár sejt- és molekulasebészetre is képesek lesznek. Így az emberben a veleszületett hibás gének, amelyek a születési rendellenességeket, illetve öröklött betegségeket okozzák, kiszűrhetőek és orvosolhatóak lesznek. A megfelelő géneket a páciens eredeti DNS-ének hibás részeit módosítva, modern genetikai ismereteket felhasználva alakítják ki.

Ahogy az előző oldalakon is látszik, a nanotechnológia a tudomány egyik leggyorsabban fejlődő és rendkívül hasznos ága, amely már ma is sok pozitív eredményt tud felmutatni és ez a tendencia a jövőben csak fokozódni fog. Már sok helyen el is kezdték a nanoanyagok és
–gépek szerves anyagokra és élőlényekre gyakorolt hatásának vizsgálatát, gyakran már emberkísérletekig is eljutva. A tudomány mai állása szerint a végső cél – Feynman álmának beteljesítésének – elérése nem ütközik semmilyen tudományos vagy technikai akadályba. Ugyanakkor az ember hajlamos túlkapásokra, a tudomány eredményeit önző politikai vagy üzleti érdekből használni, és – mivel valamikor a jövőben képesek leszünk szerves anyagokat, vagy akár élőlényeket megalkotni – Istent játszani. De ez a probléma még a jövő zenéje…

Felhasznált anyagok:

Dr. Vonderviszt Ferenc professzorral (nanotechnológia kutató) folytatott beszélgetések és a Pannon Egyetem kutatólaborjában látott gépek és kísérletek

Robert A. Freitas „What is nanomedicine?” című cikke