Dr Nanotech kontra Rak

Jeśli należysz do jednej trzeciej populacji, która pewnego dnia zachoruje na raka, twoje ciało będzie zawierało znaki ostrzegawcze na długo przed tym, zanim lekarz będzie w stanie zdiagnozować chorobę. Gdyby te subtelne sygnały w twoich komórkach i krwiobiegu można było wykryć tylko wcześniej, miałbyś znacznie większą szansę na przeżycie. Problem polega na tym, że zmiany, które oznaczają wczesne stadia raka, są niezwykle złożone – i często niewielkie, nawet na poziomie molekularnym.

Ale James Heath, fizykochemik z Kalifornijskiego Instytutu Technologii, uważa, że ​​nanotechnologia może wreszcie rozwiązać tę molekularną zagadkę. Heath obstawia, że ​​banki ultramałych przewodów krzemowych, z których każdy wykonany jest w celu wykrycia określonego białka związanego z rakiem, mogą wychwycić nawet najbardziej subtelne zmiany w chemii naszego ciała. Nanoczujniki, które opracowują Heath i jego współpracownicy z Caltech, będą jednocześnie szukać setek, a nawet tysięcy różnych biomolekuł w, powiedzmy, kropli krwi. Jeśli zadziałają, te nanoczujniki mogą być podstawą testów na raka, które są nie tylko dokładniejsze, ale, ponieważ nie wymagają pobierania próbek tkanek i analizy laboratoryjnej, tańsze i wygodniejsze niż te obecnie dostępne.

Ta historia była częścią naszego wydania z lutego 2005 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

To oczywiście niewiele mówi. Badania przesiewowe w kierunku większości nowotworów pozostają prymitywne, często obejmują proste badania fizykalne w celu znalezienia dowodów na wzrost guza lub prymitywne metody obrazowania, takie jak mammografia i prześwietlenia. Badania krwi istnieją w przypadku kilku nowotworów, takich jak rak prostaty i jajnika, ale ich wyniki są fatalne; nie tylko są powolne i kosztowne, ale są też notorycznie zawodne. Na przykład, aby zdiagnozować raka prostaty, lekarze szukają we krwi białka zwanego PSA (antygen specyficzny dla prostaty). Ale tylko 25 do 30 procent mężczyzn, którzy przechodzą niezwykle stresujący proces biopsji tkanek z powodu wysokiego poziomu PSA we krwi, ma raka prostaty. PSA zawsze znajduje się w prostacie, wskazuje Heath, i przez cały czas przedostaje się do krwi w niewielkich ilościach. Kiedy dochodzi do urazu prostaty – może to być rak lub coś innego – wycieka w większych ilościach. Ale jest to bardzo słaby marker we wczesnym stadium raka prostaty, ponieważ na tym etapie nie ma zbyt dużego urazu prostaty.

Dokładniejszy test na raka lepiej odzwierciedlałby złożoność zdarzeń biomolekularnych. Ambicją Heatha jest skonstruowanie urządzeń, które mogą nie tylko wykonywać wiele pomiarów na raz, z kropli krwi lub kilku komórek pobranych z określonej tkanki, ale także wykrywać niezwykle małe ilości biomolekuł. – Staramy się opracować test oparty na nakłuciu palca – wyjaśnia. Chcielibyśmy, aby ten test był w końcu czymś analogicznym do tego, który jest stosowany u diabetyków. Diabetycy mogą teraz monitorować poziom glukozy, a ponieważ mogą to robić regularnie, przejmują kontrolę nad chorobą. Chcielibyśmy stworzyć podobną platformę umożliwiającą walkę z rakiem.

Układanie puzzli
Badania nad rakiem mogą wydawać się nieprawdopodobnym miejscem, w którym James Heath skończyłby. Jako doktorant na Rice University w Houston na początku lat 80. zaczął badać właściwości malutkich kawałków materiałów. Był członkiem zespołu, który w 1985 roku odkrył cząsteczkę węgla C60 w kształcie piłki nożnej; odkrycie to przyniosło profesorowi Heatha, Richardowi Smalleyowi, Nagrodę Nobla 11 lat później i pomogło rozbudzić dzisiejsze zainteresowanie nanotechnologią. Ale później Heath skupił się na półprzewodnikach, takich jak krzem, wykorzystywanych w przemyśle mikroelektronicznym, szukając sposobów na przerabianie ich na coraz mniejsze urządzenia. Niedawno wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara opracowali metodę wytwarzania przewodów krzemowych o szerokości zaledwie kilku nanometrów, około dziesięciokrotnie mniejszych niż najmniejsze elementy we współczesnych układach scalonych.

Postęp był kamieniem milowym w dalszej miniaturyzacji elektroniki. I, mówi Heath, mieliśmy nadzieję, że dzięki rozwiązaniu tak trudnego problemu pojawią się inne możliwości. Zrobili: Heath zdał sobie sprawę, że te nanoprzewody mogą również służyć jako ultraczułe bioczujniki.

Zdał sobie jednak również sprawę, że włączenie nanoprzewodów do skutecznego narzędzia diagnostycznego nie będzie łatwe. Zmiany w stanie zdrowia danej osoby znajdują odzwierciedlenie w dzikich wahaniach stężenia biomolekuł, gdy różne geny włączają się i wyłączają. Ale w ciągu ostatnich kilku lat genetycy i biolodzy molekularni zdali sobie sprawę, że geny na ogół nie działają niezależnie. Mają tendencję do działania w grupach i sieciach oraz mogą wzajemnie regulować swoją ekspresję. Zatem zrozumienie molekularnych odcisków palców chorób wymaga zrozumienia na poziomie systemu, w jaki sposób współpracują ze sobą geny i białka.

W tym miejscu wkracza współpracownik Heatha, Leroy Hood, założyciel Instytutu Biologii Systemów w Seattle. Biolodzy systemowi patrzą na komórkę tak, jak inżynier elektryk patrzy na złożony obwód: jako wysoce połączony system komponentów, które włączają się nawzajem. i wyłączanie oraz sygnały przekaźnikowe. Czujniki Heatha mogą dostarczyć tysiące wskazówek na temat stanu zdrowia danej osoby, ale podejście Hooda do biologii systemów jest potrzebne, aby zebrać wszystkie te informacje w spójny obraz.

Hood i jego zespół przyjrzeli się na przykład, w jaki sposób geny ulegają ekspresji w celu wytworzenia białek w komórkach i tkankach dotkniętych rakiem prostaty. Naszym pomysłem, mówi Hood, jest to, że różnica między komórkami zdrowymi i chorymi polega na tym, że sieci regulacyjne białek i genów w komórkach chorych zostały zaburzone, a te zaburzenia chorobowe znajdują odzwierciedlenie w zmienionych wzorcach ekspresji białek kontrolowanych przez sieci. Część tych zaburzonych białek przedostanie się do krwi i będzie stanowić molekularne odciski palców, które umożliwiają diagnostykę nie tylko stanu zdrowia i choroby, ale także rodzaju choroby i rodzaju konkretnej choroby. (Istnieją na przykład co najmniej trzy różne typy raka prostaty.)

Zidentyfikowaliśmy 300 [markerów nowotworowych] genów, które są jednoznacznie wyrażane w prostacie, mówi Hood, i przewidujemy, że około 62 z nich może być wydzielanych do krwi. Przetestowaliśmy jeden z nich, wytwarzając przeciwko niemu przeciwciała i wykazaliśmy, że jest on obecny tylko we krwi pacjentów z rakiem prostaty. Zespół Hooda testuje teraz pięć kolejnych białek wydzielanych przez raka prostaty. Odkrył również podobny zestaw genów, które powinny być diagnostyczne w przypadku raka jajnika.

Płynna sytuacja
Jak dokładnie wyglądałby nanoczujnik do wykrywania takich białek? Aby przekształcić nanodrut w tranzystor, naukowcy stykają każdy z jego końców z metalowymi przewodami, dzięki czemu można przez niego przepuścić prąd. Następnie umieszczają elektrodę blisko nanodrutu. Ładowanie tej elektrody zmienia przewodność nanodrutu, włączając go i wyłączając – wszystko to znane każdemu inżynierowi elektrykowi.

Heath następnie przekształca swoje nanoprzewodowe tranzystory w maleńkie bioczujniki. Powiedzmy na przykład, że jeden nanodrut ma działać jako czujnik dla konkretnego białka. Naukowcy pokrywają powierzchnię drutu przeciwciałami, które przykleją się do docelowego białka, ale nie do innych cząsteczek. Kiedy białka wiążą się z przeciwciałami, wchodzą w interakcję z elektronami przemieszczającymi się w warstwie powierzchniowej nanodrutu, zmieniając jego przewodnictwo. Jeśli drut ma tylko kilka nanometrów grubości, następuje znacząca – i mierzalna – zmiana w jego ogólnej przewodności. Jeśli przewód jest naprawdę, bardzo mały, mówi Heath, zamiast przykładać do niego napięcie, możemy umieścić na nim cząsteczki, a zdarzenie chemiczne powoduje przełączenie tranzystora.

Ich niewielki rozmiar sprawia również, że urządzenia są bardzo wrażliwe. Ostatecznie liczba cząsteczek potrzebnych do uzyskania odczytu będzie zależeć od tego, jak mocno wiążą się z grupami receptorów na powierzchni czujnika; ale może być możliwe wykrycie pojedynczych cząsteczek. Heath mówi, że chociaż jego grupa nie osiągnęła jeszcze tego poziomu czułości, udało jej się wykryć zaledwie kilka molekuł. (W międzyczasie Charles Lieber z Uniwersytetu Harvarda zademonstrował nanoczujniki, które mogą wykryć pojedynczą cząsteczkę wirusa*).

Ale Heath polega nie tylko na wysokiej czułości, aby łatwo i wcześnie wykryć chorobę. „Możemy wykonać tysiące takich czujników na bardzo małej powierzchni” – mówi. Oznacza to zdolność do badania przesiewowego zróżnicowanej zawartości molekularnej poszczególnych komórek. Heath współpracuje z ekspertem od mikroprzepływów z Uniwersytetu Stanforda, Stephenem Quake, aby wyprodukować chipy, w których płyny przepompowywane przez mikroskopijne kanały przemieszczają pojedyncze komórki na miejsce w układzie nanoczujników, gdzie można je badać pojedynczo.

Ostatecznie cała ta technologia musi zostać zintegrowana w urządzeniu, które będzie mogło być używane w klinice, co oznacza rozwiązywanie jeszcze bardziej technicznych i praktycznych problemów. W 2003 r. Instytut Biologii Systemów w Caltech i Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles ustanowiły NanoSystems Biology Alliance, aby zapewnić, że nowe narzędzia odzwierciedlają najnowsze postępy w biologii i immunologii raka. Diagnoza raka i innych chorób, mówi Quake, zostanie przeprowadzona automatycznie, w ciągu kilku sekund lub minut, na zaledwie kilku komórkach lub ich zawartości. Przewiduje, że to przypuszczenie zostanie urzeczywistnione w ciągu tej dekady.

Najnowsza książka Philipa Balla nosi tytuł Masa krytyczna: jak jedna rzecz prowadzi do drugiej .

ukryć