211service.com
Nanowapens strijden tegen kanker
Stel je voor dat je wordt behandeld voor kanker met een paar bezoeken aan je arts. Hij geeft je gewoon een injectie en een paar weken later laat hij infrarood licht over je lichaam lopen om kankerbestrijdende middelen te activeren en de tumor weg te snijden. Klinkt als een roman van Ray Bradbury? Zeg dat niet tegen Naomi Halas. Ze is de Stanley C. Moore-professor in elektrische en computertechnologie en professor in de chemie aan de Rice University, en ze heeft het zich meer dan voorgesteld: ze ontwikkelt het proces sinds 1997, toen ze minuscule deeltjes uitvond met een enorm therapeutisch potentieel. Ze noemt ze nanoshells.
Nanoshells zijn microscopisch kleine concentrische bolletjes met silicakernen en gouden omhulsels. Goud geeft Halas de thermische en optische respons die haar behandelingsproces vereist, en het lichaam maakt er geen antilichamen tegen aan. Door de grootte van de silicakern en de dikte van het goud te variëren, ontdekte Halas dat ze de nanoschillen kon afstemmen om licht van verschillende golflengten te absorberen. Voor de behandeling van kanker, zegt ze, bleek infrarood het beste omdat het het lichaam het verst doordringt.
In experimenten worden nanoshells in de bloedbaan van een dier geïnjecteerd, waar gerichte middelen die erop worden aangebracht, de oppervlaktereceptoren van kankercellen zoeken en zich eraan hechten. Belichting met infrarood licht verhoogt de temperatuur van de cellen tot 55 graden Celsius en verbrandt de tumor, zegt ze.
Halas richt haar onderzoek op borstkanker. Ze hoopt dat nanoshells een levensvatbaar alternatief zullen zijn voor chemotherapie, die zowel gezonde als zieke cellen doodt, wat resulteert in bijwerkingen zoals vermoeidheid en haaruitval. Nanoshells daarentegen doden alleen kankercellen.
Nanoshells zijn slechts een van de vele intrigerende kankerdiagnose- en behandelingsopties die nanotechnologie mogelijk maakt. Miqin Zhang, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Washington in Seattle, gebruikt haar eigen merk nanodeeltjes om niet-invasieve hersentumoren te diagnosticeren en te behandelen. Ze noemt haar creaties slimme superparamagnetische nanodeeltjesconjugaten. Wanneer ze in de bloedbaan worden geïnjecteerd, richten deze deeltjes zich op de celreceptoren van tumoren met middelen die liganden worden genoemd.
De nanodeeltjes van Zhang zijn gemaakt van ijzeroxide, dat bijzonder magnetisch wordt wanneer het in een magnetisch veld wordt geplaatst, zoals dat wordt gebruikt voor magnetische resonantiebeeldvorming. De deeltjes versterken daardoor het signaal dat tumoren afgeven tijdens een MRI, waardoor ze in eerdere stadia van ontwikkeling makkelijker te lokaliseren zijn. Maar nanodeeltjes moeten lang genoeg circuleren om tumorcellen te lokaliseren. Zhang ontdekte in vroege proeven dat ze snel werden aangevallen en geneutraliseerd door antilichamen die microfagen worden genoemd. Dus bewerkte ze ze met een polymeercoating die bestand is tegen microfagen. Zodra de nanodeeltjes tumoren vinden, geven ze een aangehecht medicijn af, methotrexaat genaamd, dat de cel doodt.
De nanodeeltjes, die kleiner zijn dan 20 nanometer in diameter, moeten van elkaar gescheiden blijven om hun werk te kunnen doen. Geaggregeerde nanodeeltjes worden giftig voor gezond weefsel, legt Zhang uit. Door hun kleine formaat en hun vermogen om weefsel te doordringen, kunnen ze door de zogenaamde bloed-hersenbarrière gaan en hersentumoren bereiken. Zhang zegt dat dit de sleutel is, omdat 98 procent van de kankermedicijnen dat niet kan.
Zhangs combinatie van complementaire chemicaliën maakt biopsieën bij diagnose en operaties bij de behandeling overbodig en helpt bij het vroegtijdig opsporen van kanker. Maar volgens Mauro Ferrari, hoogleraar biomedische technologie aan de Ohio State University en specialist in biomedische toepassingen van nanotechnologie, kan het werk van Zhang ons ook helpen de anatomische contouren van kanker beter te zien. En volgens Zhang stelt het bepalen van de contouren van een tumor artsen in staat om binnen enkele dagen te beoordelen of een kankertherapie bij mensen al dan niet effectief is in plaats van de huidige standaard van drie maanden.
Het onderzoek van Zhang geeft ons ook informatie over de moleculaire expressie van kanker en de evolutie ervan in de tijd, voegt Ferrari eraan toe. Een cruciaal probleem bij kankeronderzoek, legt hij uit, is dat de receptoren van kankercellen in verschillende stadia van ontwikkeling een verschillende moleculaire expressie hebben; daarom kunnen kankercellen in een vroeg stadium gemakkelijk een effectief medicijn opnemen; met kankercellen in een later stadium kan de opname van het medicijn niet succesvol zijn. Zhangs onderzoek, zegt hij, kan ons helpen om de juiste medicijnen op het juiste moment bij de juiste mensen te krijgen.
Nanotechnologie levert ook nieuwe instrumenten op om kanker te onderzoeken, met mogelijk nieuwe inzichten. Adam T. Woolley, een assistent-professor scheikunde en biochemie aan de Brigham Young University, heeft een methode ontwikkeld om mutaties in DNA te onderzoeken om de genetische aanleg van een persoon voor het ontwikkelen van kanker te bepalen. Hij gebruikt een techniek die atomic force microscopie (AFM) wordt genoemd, een variatie op nanoschaal op oude platenspelers, maar met een naaldpunt van slechts ongeveer 10 nanometer. Woolley zet eerst DNA-moleculen af op silicium of mica, waarvan de oppervlakken zo plat zijn dat het DNA erboven uitsteekt. Vervolgens, legt hij uit, gebruikt hij AFM om de topografie van het DNA te onderzoeken om de posities van mutaties daarin te lokaliseren.
Het verschil in grootte tussen de natieve en gemuteerde sequenties van DNA is extreem klein - ongeveer een tiende van een nanometer - en dat is aan de limiet van wat de AFM kan zien, zegt Woolley. Dus gebruikt hij gouden nanodeeltjes van ongeveer 10 nanometer om de posities van de mutaties te markeren - op deze manier kan AFM ze gemakkelijk zien. Door het DNA op dit niveau te onderzoeken, kan Woolley vaststellen of er een dubbele mutatie optreedt, die een groter genetisch kankerrisico kan opleveren dan een enkele. Conventionele technieken om naar chromosomen te kijken, kunnen dergelijke informatie niet bepalen. Het werk van Woolley heeft een groot diagnostisch potentieel, zegt Ferrari; Het identificeren van de genetische markers voor kanker kan preventie mogelijk maken voordat de eerste tumorcel ooit wordt gevormd.
Vanwege de praktische implicaties voor de strijd tegen kanker heeft dergelijk onderzoek de aandacht getrokken van de wetenschappelijke gemeenschap in het algemeen. Robert S. Langer, de Kenneth J. Germeshausen Professor of Chemical and Biomedical Engineering aan het MIT, is vooral onder de indruk van de nanoshells van Halas. Ze zijn een heel mooi voorbeeld van het toepassen van materiaalwetenschap op belangrijke medische problemen, zegt hij, en ze hebben veel opwindend potentieel. Rick Kenyon, programmamanager bij het borstkankeronderzoeksprogramma bij het ministerie van Defensie, financiert het onderzoek van Halas omdat, zegt hij, nanoshells een eerdere detectie en eerdere vernietiging van kankercellen mogelijk maken - en dat is precies waar iedereen in het kankerveld naar op zoek is voor.