Dr. Nanotech versus kanker

Als u tot de derde van de bevolking behoort die op een dag kanker zal krijgen, zal uw lichaam waarschuwingssignalen bevatten ruim voordat uw arts in staat is om de ziekte te diagnosticeren. Als deze subtiele signalen in je cellen en je bloedbaan maar eerder zouden kunnen worden gedetecteerd, zou je een veel grotere overlevingskans hebben. Het probleem is dat de veranderingen die de vroege stadia van kanker markeren opmerkelijk complex zijn – en vaak gering, zelfs op moleculair niveau.

Maar James Heath, een fysisch chemicus aan het California Institute of Technology, gelooft dat nanotechnologie eindelijk de oplossing voor dit moleculaire raadsel zou kunnen bieden. Heath wedt dat banken van ultrakleine siliciumdraden, elk gemaakt om een ​​specifiek kankergerelateerd eiwit te detecteren, zelfs de meest subtiele veranderingen in onze lichaamschemie zouden kunnen oppikken. De nanosensoren die Heath en zijn Caltech-collega's ontwikkelen, gaan tegelijkertijd op zoek naar honderden of zelfs duizenden verschillende biomoleculen in bijvoorbeeld een druppel bloed. Als ze werken, kunnen deze nanosensoren de basis vormen voor kankertests die niet alleen nauwkeuriger zijn, maar omdat ze geen weefselmonsters en laboratoriumanalyses nodig hebben, goedkoper en handiger zijn dan de nu beschikbare.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van februari 2005

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Dat zegt natuurlijk niet veel. Screening op de meeste vormen van kanker blijft primitief en omvat vaak eenvoudige fysieke onderzoeken om bewijs van tumorgroei te vinden, of ruwe beeldvormingsmethoden zoals mammografie en röntgenfoto's. Er bestaan ​​bloedonderzoeken voor een paar vormen van kanker, zoals prostaat- en eierstokkanker, maar hun prestaties zijn bedroevend; ze zijn niet alleen traag en duur, maar ze zijn notoir onbetrouwbaar. Om prostaatkanker te diagnosticeren, zoeken artsen bijvoorbeeld naar een eiwit dat PSA (prostaatspecifiek antigeen) wordt genoemd in het bloed. Maar slechts 25 tot 30 procent van de mannen die het enorm stressvolle proces doormaken van weefselbiopten vanwege hoge PSA-waarden in hun bloed, heeft daadwerkelijk prostaatkanker. PSA zit altijd in de prostaat, wijst Heath aan, en wordt voortdurend in kleine hoeveelheden in het bloed gelekt. Wanneer er een soort trauma aan de prostaat is - wat kanker of iets anders kan zijn - lekt het in grotere hoeveelheden. Maar het is een zeer slechte marker voor prostaatkanker in een vroeg stadium, omdat er in dat stadium echt niet te veel trauma aan de prostaat is.

Een nauwkeuriger kankertest zou de complexiteit van biomoleculaire gebeurtenissen beter weerspiegelen. Heath heeft de ambitie om apparaten te bouwen die niet alleen meerdere metingen tegelijk kunnen doen, van een druppel bloed of enkele cellen uit een bepaald weefsel, maar ook extreem kleine hoeveelheden biomoleculen kunnen detecteren. We proberen een vingerprik-gebaseerde test te ontwikkelen, legt hij uit. We zouden willen dat deze test uiteindelijk iets analoogs wordt aan wat voor diabetici wordt gebruikt. Diabetici kunnen nu hun glucosespiegels controleren en omdat ze dat regelmatig kunnen doen, krijgen ze de ziekte onder controle. We willen een vergelijkbaar platform voor kanker ontwikkelen.

Puzzel samenvoegen
Kankeronderzoek lijkt misschien een onwaarschijnlijke plaats voor James Heath om te zijn beland. Als een afgestudeerde student aan de Rice University in Houston in het begin van de jaren tachtig, begon hij de eigenschappen van kleine brokken materiaal te bestuderen. Hij maakte deel uit van het team dat in 1985 het voetbalvormige koolstofmolecuul C60 ontdekte; de ontdekking won de professor van Heath, Richard Smalley, 11 jaar later een Nobelprijs en hielp de huidige interesse in nanotech te wekken. Maar Heath verlegde later zijn aandacht naar halfgeleiders, zoals silicium, die worden gebruikt door de micro-elektronica-industrie, op zoek naar manieren om ze in steeds kleinere apparaten te verwerken. Onlangs bedachten hij en medewerkers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, een methode om siliciumdraden te maken van slechts enkele nanometers breed, ongeveer tien keer kleiner dan de kleinste kenmerken in de huidige geïntegreerde schakelingen.

De opmars was een mijlpaal in de verdere miniaturisering van de elektronica. En, zegt Heath, we hoopten dat door het oplossen van zo'n moeilijk probleem zich andere kansen zouden voordoen. Dat deden ze: Heath realiseerde zich dat deze nanodraden ook als ultragevoelige biosensoren konden dienen.

Hij realiseerde zich echter ook dat het niet eenvoudig zou zijn om nanodraden op te nemen in een effectief diagnostisch hulpmiddel. Veranderingen in de gezondheidstoestand van een persoon worden weerspiegeld in wilde schommelingen in concentraties van biomoleculen als verschillende genen in- en uitschakelen. Maar de afgelopen jaren zijn genetici en moleculair biologen gaan beseffen dat genen over het algemeen niet onafhankelijk werken. Ze hebben de neiging om in groepen en netwerken te opereren en ze kunnen elkaars expressie reguleren. Om de moleculaire vingerafdrukken van ziekte te begrijpen, is dus een begrip op systeemniveau nodig van hoe genen en eiwitten samenwerken.

Dat is waar Heaths medewerker, Leroy Hood, oprichter van het Institute for Systems Biology in Seattle, om de hoek komt kijken. Systeembiologen kijken naar de cel zoals een elektrotechnisch ingenieur naar een complex circuit kijkt: als een sterk onderling verbonden systeem van componenten die elkaar inschakelen en uit en relaissignalen. De sensoren van Heath kunnen duizenden aanwijzingen geven over iemands gezondheidstoestand, maar Hoods systeembiologische benadering is nodig om al die stukjes informatie samen te voegen tot een samenhangend beeld.

Hood en zijn team hebben bijvoorbeeld gekeken hoe genen tot expressie worden gebracht om eiwitten te produceren in cellen en weefsels die zijn aangetast door prostaatkanker. Ons idee, zegt Hood, is dat het verschil tussen normale en zieke cellen is dat de eiwit- en genregulerende netwerken in zieke cellen verstoord zijn, en deze ziekteverstoringen worden weerspiegeld in veranderde patronen van eiwitexpressie die door de netwerken worden gecontroleerd. Een fractie van deze verstoorde eiwitten vindt zijn weg naar het bloed en vormt moleculaire vingerafdrukken die niet alleen diagnostisch zijn voor gezondheid en ziekte, maar ook voor welke ziekte en welk type van een bepaalde ziekte. (Er zijn bijvoorbeeld minstens drie verschillende soorten prostaatkanker.)

We hebben 300 [kankermarker]-genen geïdentificeerd die op unieke wijze tot expressie komen in de prostaat, zegt Hood, en we voorspellen dat ongeveer 62 hiervan in het bloed kunnen worden uitgescheiden. Een daarvan hebben we getest door er antistoffen tegen te maken en hebben aangetoond dat het alleen in het bloed van patiënten met prostaatkanker aanwezig was. Het team van Hood test nu nog vijf door prostaatkanker uitgescheiden eiwitten. Het heeft ook een vergelijkbare reeks genen gevonden die diagnostisch zouden moeten zijn voor eierstokkanker.

Een vloeistofsituatie
Hoe zou een nanosensor om dergelijke eiwitten te detecteren er precies uitzien? Om van een nanodraad een transistor te maken, brengen de onderzoekers elk uiteinde in contact met metalen draden zodat er stroom doorheen kan. Vervolgens plaatsen ze een elektrode dicht bij de nanodraad. Door deze elektrode op te laden, verandert de geleidbaarheid van de nanodraad, waardoor deze aan en uit wordt gezet - allemaal bekende dingen voor elke elektrotechnicus.

Heath transformeert vervolgens zijn nanodraadtransistors in kleine biosensoren. Stel bijvoorbeeld dat één nanodraad moet fungeren als sensor voor een bepaald eiwit. De onderzoekers bekleden het oppervlak van de draad met antilichamen die aan het doeleiwit blijven plakken, maar niet aan andere moleculen. Wanneer eiwitten aan de antilichamen binden, interageren ze met de elektronen die in de oppervlaktelaag van de nanodraad reizen, waardoor de geleidbaarheid verandert. Als de draad maar een paar nanometer dik is, is er een significante - en meetbare - verandering in de algehele geleidbaarheid. Als de draad echt heel klein is, zegt Heath, kunnen we er geen spanning op zetten, maar er moleculen op zetten, en een chemische gebeurtenis zorgt ervoor dat de transistor schakelt.

Hun kleine formaat maakt de apparaten ook erg gevoelig. Uiteindelijk zal het aantal moleculen dat nodig is om een ​​meting te produceren afhangen van hoe stevig ze binden aan de receptorgroepen op het sensoroppervlak; maar het zou mogelijk zijn om individuele moleculen te detecteren. Heath zegt dat, hoewel zijn groep dat niveau van gevoeligheid nog niet heeft bereikt, het erin is geslaagd slechts een paar moleculen te detecteren. (Charles Lieber van Harvard University heeft ondertussen nanosensoren gedemonstreerd die een enkel viraal deeltje kunnen detecteren*).

Maar het is niet alleen hooggevoeligheid waar Heath op vertrouwt voor een gemakkelijke en vroege detectie van ziekten. We kunnen duizenden van deze sensoren maken in een heel klein gebied, zegt hij. Dit betekent het vermogen om de gevarieerde moleculaire inhoud van individuele cellen te screenen. Heath werkt samen met microfluïdica-expert Stephen Quake van Stanford University om chips te fabriceren waarin vloeistoffen die door microscopisch kleine kanalen worden gepompt, afzonderlijke cellen naar hun positie over een nanosensorarray brengen, waar ze één voor één kunnen worden bestudeerd.

Uiteindelijk moet al deze technologie worden geïntegreerd in een apparaat dat in de kliniek kan worden gebruikt, wat betekent dat er nog meer technische en praktische problemen moeten worden opgelost. In 2003 hebben het Institute for Systems Biology, Caltech, en de University of California, Los Angeles, de NanoSystems Biology Alliance opgericht om ervoor te zorgen dat de nieuwe tools de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van kankerbiologie en immunologie weerspiegelen. De diagnose van kanker en andere ziekten, zegt Quake, zal automatisch worden uitgevoerd, in een paar seconden of minuten, op slechts een handvol cellen of hun inhoud. En dat vermoeden, voorspelt hij, zal binnen dit decennium werkelijkheid worden.

Het nieuwste boek van Philip Ball heet Kritische massa: hoe het een tot het ander leidt .

zich verstoppen