Kankeronderzoekers schuwen het gebruik van nanotechnologie niet. Hun werk boekt veelbelovende vooruitgang bij het ontwikkelen van veiligere en effectievere behandelingen. En nu, nieuwe ontwikkelingen in het gebied zorgen ervoor dat het grote publiek kan helpen door middel van crowdsourcing.

Kanker veroorzaakt een op de vier sterfgevallen in de VS, en in 2008 werden naar schatting 12,7 miljoen nieuwe kankergevallen wereldwijd gediagnosticeerd. De huidige behandelingen zijn verre van ideaal. Bijvoorbeeld, typische chemotherapieën sijpelen na injectie uit de bloedbaan en verspreiden zich door het lichaam. De medicijnen zijn dan vrij om alle aangetroffen cellen aan te vallen - zelfs gezonde - met aanzienlijke bijwerkingen tot gevolg.

Dit is natuurlijk verre van ideaal. Bio-ingenieurs experimenteren daarom met nanodeeltjes die medicijnen en diagnostiek rechtstreeks aan tumoren kunnen leveren. Nanodeeltjes zijn iets groter dan medicijnen:ongeveer vijf tot 500 nanometer, dat is ongeveer 100 tot 10, 000 keer kleiner dan een mensenhaar. Door deze speciale maat kunnen ze uit de grote poriën in tumorvaten lekken, en toch nog steeds in de bloedstroom door de rest van het lichaam aanwezig zijn. Als resultaat, nanodeeltjes kunnen zich passief ophopen in tumoren terwijl ze gezond weefsel vermijden.

Nanodeeltjes zijn er in verschillende maten, vormen en materialen. Ze kunnen worden geladen met medicijnen die op een gecontroleerde manier worden vrijgegeven en bedekt met moleculen die hen in staat stellen om te interageren met hun omgeving. Sommige van deze moleculen kunnen een handtekening zijn om kankercellen op unieke wijze te identificeren. Na binding, cellen kunnen nanodeeltjes opslokken die vervolgens hun lading in de cel afleveren.

Er zijn veel manieren om een ​​nanodeeltje te ontwerpen. Afhankelijk van uw ontwerp, het nanodeeltje zal bewegen, voelen en handelen op verschillende manieren - net als een robot. Controle zit in het ontwerp van de nanodeeltjes en hun interacties met de omgeving, in plaats van enige intelligentie erin. Met andere woorden, het veranderen van het lichaam van het nanodeeltje zal zijn gedrag veranderen:we noemen het belichaamde intelligentie.

De uitdaging is om te begrijpen welk ontwerp van nanodeeltjes het behandelresultaat zal verbeteren. Dit is een moeilijk probleem omdat biljoenen nanodeeltjes in een tumor met miljoenen cellen een interactie aangaan. Het voorspellen en optimaliseren van het gedrag van al deze nanodeeltjes in zo'n complex systeem is op zijn best giswerk.

Zwerm controle

Net als onze nanodeeltjes, zwermen vogels, mierenkolonies, cellen en robotcollectieven kunnen schijnbaar complex zwermgedrag vertonen wanneer grote aantallen eenvoudige agenten reageren op lokale informatie. Ons doel is nu om te onderzoeken hoe nanodeeltjes kunnen samenwerken, of zwerm, om hun therapeutisch effect synergetisch te verbeteren.

Recent werk van het Bhatia Laboratory van MIT is veelbelovend in deze richting. Gouden nanodeeltjes zouden zich passief ophopen in de tumor. De nanodeeltjes worden dan verwarmd met een laser, waardoor schade aan het tumorweefsel ontstaat. De tweede golf van nanodeeltjes, ontworpen om te binden aan het beschadigde weefsel, zou zich daar dus in hogere aantallen ophopen.

Met behulp van een simulator die modelleert hoe nanodeeltjes met elkaar en de tumoromgeving interageren, we kunnen nu dergelijke nanodeeltjeszwermontwerpen verkennen. In het onderstaande videovoorbeeld gesimuleerde nanodeeltjes die een bloedvat verlaten (in het rood) moeten een zeldzame cel (met een roze rand) in het tumorweefsel vinden.

Deze zeldzame cel kan een specifieke mutatie hebben, en de detectie ervan kan helpen bij het identificeren van een cel met cellen die resistent zijn tegen behandeling. Door de nanodeeltjes slim te engineeren en hoe ze interageren met hun omgeving, we zijn in staat om directe paden van de vaten naar de cel te markeren. Vergelijkbaar met mieren die paden vormen om je picknicktafel te bereiken, deze nanodeeltjes werken door informatie in de omgeving af te zetten en ermee om te gaan.

Er zijn veel van dergelijke tumorscenario's en zwermstrategieën. Elk kost tijd om te verkennen en vereist veel vallen en opstaan. Ook, elk probleem is anders, waardoor het moeilijk is om een ​​computer te programmeren die de nanodeeltjes automatisch kan ontwerpen.

Crowdsourcing stelt bio-ingenieurs en het grote publiek daarom in staat om nieuwe strategieën voor nanodeeltjes te bedenken voor de behandeling van kanker. De simulator genaamd Nanodoc voorspelt hoe nanodeeltjes zich gedragen in tumoren en is gebaseerd op jarenlang onderzoek. De hoop is dat mensen die de simulator gebruiken, kunnen helpen bij het ontdekken van nieuwe, creatieve en efficiënte nanodeeltjesstrategieën waar we in het lab nog niet aan hebben gedacht.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).