Gál Petra: Nanotechnológia az orvostudományban -
Nanomedicina

Ebben az évben ismertem meg egy számomra rengeteg újdonságot jelentő, újfajta tudományos gondolati irányzatot, a nanotechnológiát. Magyarországon napjainkban sajnos keveset lehet hallani róla, ezért választottam ezt az érdekes és sok megoldatlan problémát rejtő témát. Emellett egyre jobban láthatóvá válik, hogy a nanotechnológiának sokféle hatása lesz a minket körülvevő világban, az orvostudománytól a számítógépekig, környezetünkig.

Mindenek előtt nem árt tisztázni, mi a nanotechnológia. Bizonyára mindenki számára ismerősen hangzik a szó, hiszen mindnyájan találkoztunk már matematika, fizika, kémia vagy biológia órán a nano szócskával. Jelentése 10^-9. A tudományág nevének második fele a technológia. Ez egy sok mindent magába foglaló gyűjtőnév. Idetartozik minden, ami az élet különböző területein jelentkező problémáinak megoldását segíti. A technológiák fejlődésével egyre parányibb objektumokat lehet előállítani. A 100 nm alatti mérettartományban működő technológiákat hívjuk nanotechnológiának. A hajszál vastagságának százezred részét, a baktériumok ezred részét jelenti ez a mérettartomány.

Azonban nem a kicsi méretek jelentik az igazi áttörést. Ebben a parányi mérettartományban lehetővé válik az atomokból és molekulákból történő irányított építkezés. Az emberek eddig nem voltak képesek az anyag felépítésének precíz kontrolálására. A klasszikus technológiák az első kőszerszámok pattintásától napjaink integrált áramköréig úgy állították elő a szükséges javakat, vagy azok részegységeit, hogy „kifaragták” őket egy nagyobb darab nyersanyagból. Egy tervnek megfelelően eltávolították a felesleget. Idáig sokkal inkább nevezhető az emberiség munkájára irányított rombolásnak, mint építkezésnek. Például egy szobrász műve elkészítése során vésőjével egy tömbből eltávolítja a számára felesleges anyagot. Ez esetben nem képes arra, hogy a részecskéket pontosan úgy helyezze el, ahogyan szeretné. Ha az építkezést alulról kezdjük, molekuláris szintről eljutva a teljes egészhez, sokkal jobb munkát végezhetünk. Épp ezért, ha az esztétikumoktól sikerül eltekintenünk, nevezhetjük sokkal pontosabbnak Zeppenfeld 26 CO molekulából felépülő, 4,5 nm nagyságú molekuláris szobrocskáját Michelangelo David szobránál.

A nanotechnológiáról egyre gyakrabban hallhatjuk, hogy a jövő tudománya, a XXI. század technológiája. Ez a kijelentés azonban ebben a formában nem igaz, hiszen ősidők óta létezik. Az élő szervezetek valójában nanotechnológiát alkalmaznak, bennük elsősorban fehérjékből és nukleinsavakból felépülő, önszerveződésre képes molekuláris gépezetek működnek.

A fehérjék különösen alkalmasak molekuláris gépezetek építésére. A fehérjék az élet molekulái, az élő szervezetek legfontosabb anyagai. Valójában láncmolekulák, amelyek 20-féle aminosav összekapcsolódásával jönnek létre. Ez a lánc képes felvenni egy jól definiált térszerkezetet. A fehérjék feltekeredettsége teszi lehetővé, hogy változatos funkciókat lássanak el. Az élő szervezetek fehérjéi rendkívül szerteágazó feladatokat ellátására képesek:

bonyolult kémiai reakciókat katalizálnak;

fényenergia, kémiai és mechanikai energia egymásba alakítását végzik;

jelátviteli és jelfeldolgozási folyamatokat irányítanak.

   A hemoglobin (legnagyobbrész C, H, N O és S atomokból épül fel)

A riboszómák a legnagyobb molekuláris komplexumok, amelynek szerkezetét atomi precizitással ismerjük. Ezek végzik a fehérjék szintézisét. Működésük irányítói valójában az RNS molekulák, melyek nukleotid sorrendjében rejlő lineáris információ alapján képesek legyártani a megfelelő fehérjét. Ezek hordozzák a DNS-ben tárolt információkat.Az élő szervezetekben található molekuláris gépezetek szerkezetének, működési elveinek megértése jelenti az alapját a fehérjék nanotechnológiai alkalmazásának. Fölösleges saját nanotechnológiánk bonyolult kidolgozásán gondolkozni, mikor elegendő az is, ha megértjük a szemünk előtt működő rendszert. Hiszen ez egy csodásan működő fehérje/nukleinsav alapú nanotechnológia.

A technológia alkalmazásával forradalmi változások várhatóak többek között az egészségügy terén, a betegségek megelőzésében, diagnosztizálásában és a gyógyításában is.

Mai gyógyszereinknek van egy alapvető hibája. Nem képesek célzott hatást kifejteni. Ha fáj a fogunk és beveszünk egy fájdalomcsillapítót, az ugyanolyan hatást fejt ki a kisujjunkban, mint a fogunknál. Mivel a véráramba kerülve a testünk szinte minden részére eljut, ezáltal nem csak ott fejt ki hatást, ahol arra valóban szükség van.

A nanotechnológiának köszönhetően viszont néhány orvosság speciális molekulák belsejébe helyezhető. Így csak pontosan arra a helyre engedi a szállítást, ahol az orvosságra szükség van. A cél az, hogy sikerüljön előállítani olyan anyagot, ami felismeri a kívánt célsejtet, ahhoz hozzátapad és irányított, lokalizált hatást fejt ki rajta.

Mindez elvben könnyedén megoldható 3 különböző funkciójú nanorészecske segítségével:

1. célba juttató csoport: ez biztosítja a célsejtek felismerését és a hozzájuk való kötődést

2. hatóanyagok: ezek biztosítják a célsejtekben a kívánt hatás elérését.

3.jeladó: ez biztosítja, hogy nyomon követhetőek legyenek az előidézett változások.

Bár ritkán szoktunk rá gondolni, mi magunk is atomokból épülünk fel. Mi több, az ember "tervrajza" és "gyártási utasítása" is molekuláris szinten van kódolva a DNS-ben. Azt is hajlamosak vagyunk elfelejteni, hogy változatlannak érzett testünk atomjai, átlagosan szólva, havonta kicserélődnek. A cserélődés a gyártási utasításnak megfelelően zajlik. Persze, néhány évtizednyi idő után hibák is becsúsznak a másolás folyamatába. Ezt egyszerűbben úgy mondjuk: öregszünk. Sajnos, a molekuláris szinten bekövetkező hibákat sem szikével, sem gyógyszerekkel, sem csodaszerekkel nem tudjuk korrigálni. Hacsak nem állnak rendelkezésünkre olyan nanogépek, amelyek képesek olvasni az eredeti tervet, és atomonként korrigálni a felmerülő hibákat, sejten belülről. Ez a gondolatmenet talán nem is annyira fantasztikus, mint amennyire első látásra annak tűnik. Azonban az öregedésnél sokkal súlyosabb problémák megoldására is lehet használni ezt a megfoghatatlanul aprónak tűnő technológiát.

Már léteznek olyan nanokapszulák, amelyekkel pontosan célhoz juttathatók a gyógyszerek, ráadásul pontosan az orvos által meghatározott időpontban és mennyiségben.

Az igazi cél az orvostudomány terén azonban a rákkutatásban rejlik, ugyanis a betegség gyógyítása egyenlőre nem megoldott kérdés. Sokféle vélemény létezik, mely a megelőzést tartja fontosnak, sőt olyan cikkek is olvashatóak, miszerint a savanyú káposzta kúra a leghatásosabb gyógymód. Ezekre azonban az orvostudomány sorra rácáfol. Léteznek azonban kezelések, mint például a kemoterápia, mely több mint fél évszázados múltra tekint vissza. Ez az eljárás a sejtek osztódását hivatott leállítani, azonban nem csupán a daganatos sejtekre van hatással. Különösen a gyorsan növekvő sejteket károsítja. Többek között ilyen sejtekből áll a tápcsatorna nyálkahártyája, a hajtüszők és a vér alakos elemei. Emiatt hosszabb-rövidebb idő elteltével mellékhatások léphetnek fel a kezelés következtében.

A nanotechnológia alkalmazása azonban kiküszöbölhetné a mellékhatásokat. A Nanoshell(11) nevű megoldás lényege, hogy speciális anyagú, aranyborítású nanoméretű részecskéket juttatnak közvetlenül a daganatba. A következő lépés, hogy irányított infravörös fény hatására a részecskék valósággal felrobbannak, ezzel elpusztítva a rákos sejteket. A kutatók szerint ennél az eljárásnál is sérülhetnek nem megbetegedett sejtek, ám ezek aránya elenyésző a hagyományos sugárkezelés vagy a kemoterápia pusztításához képest. Ez azonban csupán egy nagyon leegyszerűsített megoldás lenne, és sajnos nem megvalósítható.

  irányított nanorészecske célbajuttatása

A michigani egyetemen kutató James Baker új eljárást dolgozott ki, mely alapján valószínűleg tovább lehet lépni a sikeres gyógyítás útjára. Leglényegesebb eleme az "ágas-bogas" dendrimernek nevezett molekula, aminek nagyszámú "molekuláris kampójára" különböző kémiai anyagok kapcsolhatók. Öt-hat ilyen kampóra Baker folsav molekulákat akaszt. Mivel ezek vitaminok, a legtöbb sejt, de különösképpen a rákos sejtek rendelkeznek a megkötésükhöz szükséges receptorokkal. Más molekuláris kampókhoz Baker a rákos sejt elpusztítására szolgáló kémiai anyagokat csatol, így amikor a rákos sejt "ráharap" a folsavra, egyúttal az elpusztításához szükséges molekulákat is bekebelezi. Hatóanyagként a methotrexate (MTX) nevű vegyületet választották, mely megakadályozza a DNS replikációját és sejthalált okoz.

rákterápiában alkalmazható funkcionalizált, dendrimer alapú nanorészecske

A jelzőmolekulák nyomon követése azt mutatja, hogy a nanorészecskék kizárólag a rákos sejtek belsejébe hatolnak be.

Az eljárás sokféleképpen alkalmazható, hiszen a dendritekhez különféle molekulák kapcsolhatók, így pl. a rákos sejtek lokalizálására szolgáló fluoreszkáló anyag. De egy dendrithez akár többféle tumor kezelésére való kémiai anyag is kapcsolható egyszerre. Így a módszer finomodásával arra is lehetőség nyílik, hogy a gyógyítást később egyénre szabják.

A rákgyógyászatot forradalmasító eljárás leghamarabb öt éven belül válhat klinikai gyakorlattá. A humán kísérletek már folyamatban vannak e téren.

A hazánkban zajló kísérletek egyik legfontosabb helyszínéül váltak a Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Karán működő kutatócsoportok. A laboratórium vezetője Dr. Vonderviszt Ferenc. Véleménye szerint a nanotechnológiai kutatások egyik fő irányvonala, hogy az élő rendszerekben található molekuláris gépezetek működésének felderítésével képessé váljunk kontrollálni és szolgálatunkba állítani ezen szupramolekuláris rendszereket. Segítségül szolgál ehhez az alkotó fehérjemolekulák génsebészeti eszközökkel történő célzott módosítása Remélhetőleg ez az út végül a fehérjékből álló komplex szerkezetek tudatos tervezésén alapuló technológia megjelenéséhez vezet. A kutatások célja a bakteriális flagellumok szerkezetének és működésének feltárása. A flagellumok a baktériumok mozgásszervei. Sejtmembránba ágyazott részük tartalmaz egy parányi, protonok által hajtott motort, amelyhez egy 5-10 mm hosszúságú helikális filamentum csatlakozik. Ezek a filamentumok a baktérium úszása során egyetlen nagy helikális köteggé állnak össze, amely tengelye körül forogva mintegy propellerként hajtja előre a baktériumot. A flagellin fehérjéből felépülő helikális filamentumok önszerveződő szupramolekuláris rendszerek, amelyek képesek a környezeti változásokra aktívan reagálva különféle helikális formákat felvenni (polimorfizmus). A bakteriális flagellumok olyan parányi molekuláris gépezetek, amelyek működésének megértése technológiai szempontból is fontosnak tűnik.

Ezen tanév során szerencsém volt, és tagja lehettem egy csoportnak, mely a nanotechnológiával foglalkozik a TEMPUS, út a tudományhoz program keretében. A rengeteg olvasás és az idegen nyelvű szakcikkek fordítása mellet sikerült találkoznunk Vonderviszt professzor úrral és megtekintenünk a laboratóriumot. Saját szájából hallhattuk az általuk elért kutatási eredményeket, valamint a még megvalósításra váró céljaikat. Muskotál Adél, PhD hallgató vezetésével megismerhettük az ott zajló életet, valamint a kutatásokhoz szükséges méregdrága gépeket.

A program keretében elkészült egy robotpálya, valamint egy ehhez tartozó robot is. A robotpályája feladatai ízelítőt adnak azokról a technológiákról és ötletekről, amiken a tudósok ma dolgoznak, illetve amikről gondolkodnak. Az egyik feladat például az, hogy a robot egy kis golyót beledob egy csontba. Ezzel próbáltuk meg szemléltetni a problémát, amit a gyógyszerek célba juttatása okoz.

"okos gyógyszerészet": a robot célbajuttatja a hatóanyagot

Richard P. Feynman szerint „Egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni.”(12) Eme mondat egy lavinát indított el a tudósok körében, és bátran kijelenthetjük a XXI. század elején, hogy az emberiség előtt még óriási változások állnak. Többek között a nanotechológia forradalma, amely által előidézett változások sokak véleménye szerint meghaladhatja a XIX. században lezajló ipari forradalomét. Valójában nem egy egészen kicsi forradalomról lesz szó, hanem az egészen parányi dolgok forradalmáról.

„Talán egyszer majd képesek leszünk parányi nanorobotokat előállítani, amelyek a vérbe jutva folyamatosan figyelik testünk állapotát, megtalálják a hibásan működő sejteket és molekuláris szinten javítják ki bennük a hibákat. Bár ettől még távol vagyunk, számos izgalmas kutatási eredmény jelzi, hogy a nanotechnológia újfajta szemlélete, a molekuláris szintű beavatkozás képessége forradalmi változásokat eredményezhet az orvosi diagnosztikában és klinikai gyakorlatban. Reményeink szerint nem is olyan távoli az az idő, amikor a nanotechnológiai megközelítéseken alapuló gyógymódok általánossá válnak. Kérdés, mennyire sikerül ellesnünk az élő szervezetektől a fehérje alapú molekuláris gépezetek szerveződési elveit, megfejteni működésük mechanizmusát, hogy a magunk kedve szerint építhessünk talán még a természetben megfigyelhetőknél is lenyűgözőbb képességű nanoméretű eszközöket.”(13) Vonderviszt Ferenc ezt várja a jövőtől.

Én viszont mást várok a nanotechnológiától. Számomra ez egy megoldásnak tűnik a látszólag tökéletes világhoz, ahol nem állnak egészségügyi gondok a boldogság útjába.

Irodalomjegyzék:

(1): http://www.vivantinfo.com/typo3temp/pics/3c6c442ac5.jpg

(2): http://www.abitnice.com/archives/david.jpg

(3): http://www.mindentudas.hu/vonderviszt/20041011vonderviszt2.html

(4): http://www.mindentudas.hu/magazin2/20050218orvostudomanyok.html#elmel

(5): http://www.eduport.hu/cikk.php?id=13466

(6): http://irisz.sulinet.hu/cgi-bin/db2www/lm/frame/cikk?id=1673&kat=bn

(7): http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/magyarul/Nanotechnologia.html

(8): http://www.supernova.hu/bolygo/ds1/nanoforr.htm

(9): http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/

(10): http://mik.vein.hu/?func=news&main=13#bio

(11): http://hirek.com/cikk/56688/

(12): http://www.sulinet.hu/kemia/anyag/nano.htm

(13): Vonderviszt Ferenc„A nanotechnológia lehetősége az egészségügyben” című cikke