Een groeiend veld genaamd nanotechnologie stelt onderzoekers in staat om moleculen en structuren te manipuleren die veel kleiner zijn dan een enkele cel om ons vermogen om te zien, monitoren en vernietigen van kankercellen in het lichaam.

De bemanning van de Proteus heeft één wanhopige kans om het leven van een man te redden. Gekrompen tot de grootte van een grote bacterie, de onderzeeër bevat een team van wetenschappers en artsen die racen om een ​​bloedstolsel in de hersenen van een Sovjetoverloper te vernietigen. De groep reist door het lichaam, het ontwijken van gigantische witte bloedcellen en kleine antilichamen terwijl het door het hart reist, het binnenoor en de hersenen om de blokkade te bereiken en te vernietigen.

Hoewel gebeurtenissen in de film Fantastische reis waren vergezocht toen het in 1966 werd uitgebracht, ze worden nu elke dag gerealiseerd in laboratoria over de hele wereld, vooral bij de behandeling van kanker. Een groeiend veld genaamd nanotechnologie stelt onderzoekers in staat om moleculen en structuren te manipuleren die veel kleiner zijn dan een enkele cel om ons vermogen om te zien, monitoren en vernietigen van kankercellen in het lichaam.

Tienduizenden patiënten hebben al chemotherapie gekregen die wordt afgeleverd door nanodeeltjes die liposomen worden genoemd. en tientallen andere benaderingen zijn momenteel in klinische proeven. Binnen de komende vijf tot tien jaar zal De grootste verdedigers van ons lichaam zijn misschien kleiner dan we ons ooit hadden kunnen voorstellen.

'Exquise gevoeligheid en precisie'

"Nanotechnologie biedt een voortreffelijke gevoeligheid en precisie die moeilijk te evenaren is met enige andere technologie, " zei Sam Gambhir, MD, doctoraat, hoogleraar en voorzitter van de radiologie aan de School of Medicine. "Binnen het volgende decennium zal nanogeneeskunde zal het pad van de diagnose en behandeling van kanker in dit land veranderen."

Het veld heeft een aantal grote donateurs:het National Cancer Institute besteedt nu ongeveer $ 150 miljoen per jaar aan onderzoek en training op het gebied van nanotechnologie om de ziekte te bestrijden; andere instituten en centra van de National Institutes of Health besteden 300 miljoen dollar extra aan nanotechnologisch onderzoek naar kanker en andere aandoeningen. En een nationale alliantie die in 2004 door het NCI is opgericht om onderzoekers van biologie tot computerwetenschap en scheikunde tot engineering samen te brengen, werpt nu vruchten af ​​- in de vorm van tientallen klinische proeven - op campussen en bedrijven in het hele land, inclusief Stanford.

"We kunnen nu slechts een paar met kanker geassocieerde moleculen of circulerende tumorcellen in het lichaam detecteren in slechts een paar milliliter bloed of speeksel, of de grenzen van een hersentumor binnen millimeters in kaart brengen om de respons op therapie te beoordelen of een operatie te plannen, Gambhir zei. "We hebben speciaal nanodeeltjes ontworpen die een enorm versterkt, kolossaal signaal wanneer ze zich binden aan kankercellen in de dikke darm, en we werken aan manieren om de zelfassemblage van nanodeeltjes op gang te brengen wanneer ze een kankercel binnenkomen. Het vakgebied is de afgelopen 10 tot 15 jaar enorm vooruitgegaan."

Gambhir, de Virginia en D.K. Ludwig Professor voor klinisch onderzoek in kankeronderzoek, leidt samen met Shan Wang het door het NCI gefinancierde Stanford Center for Cancer Nanotechnology and Excellence for Translational Diagnostics, doctoraat, een professor van materiaalkunde en techniek en van elektrotechniek.

Het vermogen om de allereerste tekenen van problemen te diagnosticeren is cruciaal voor pogingen om de ziekte te stoppen voordat zich symptomen of complicaties voordoen - wat een belangrijk onderdeel is van wat bekend staat als precisiegezondheid.

"Een vroege diagnose is absoluut cruciaal, en vereist een heel ander soort aanpak en technologie dan waar we in het verleden op vertrouwden, "Zei Gambhir. "Zonder nanogeneeskunde, we zouden geen kans hebben om ons primaire doel te bereiken:onze ziekenhuizen leeg houden."

Een kwestie van schaal

Dus wat is er zo speciaal aan nanotechnologie? Zoals je zou kunnen raden, het is een kwestie van schaal. Een nanometer is een miljardste van een meter. Een mensenhaar is ongeveer 100, 000 nanometer in diameter. Een gemiddelde cel, ongeveer 10, 000. De Proteus, in De fantastische reis, was ongeveer 1, 000 nanometer lang, en de antilichamen die de passagiers aanvielen waren ongeveer 10 nanometer groot.

Nanodeeltjes voor medisch gebruik worden gedefinieerd als moleculen of structuren die niet groter zijn dan ongeveer 100 nanometer - vergelijkbaar in grootte met de tienduizenden moleculen in het lichaam die in en uit intacte cellen glippen en onschadelijk door de wanden van bloedvaten en in weefsels kronkelen. Net als de Proteus en zijn bemanning, ze kunnen individuele cellen en hun inhoud opzoeken en ermee interageren. Maar de omgangsregels zijn veranderd, evenals de mogelijke omvang van het bezoekerseffect.

Moleculen op nanometerschaal opereren in een schemerige onderwereld waar de wetten van de fysica wankelen aan de rand van een kwantumstelsel. Elektronen gedragen zich vreemd op zo'n klein podium. Als resultaat, de essentiële eigenschappen van de nanodeeltjes, inclusief hun kleur, Smeltpunten, fluorescentie, geleidbaarheid en chemische reactiviteit, kunnen variëren afhankelijk van hun grootte.

Deeltjes op nanoschaal hebben ook enorme hoeveelheden oppervlakte in vergelijking met grotere deeltjes. Een kubus van goud met zijden van 1 centimeter lang heeft een totale oppervlakte van 6 vierkante centimeter. Maar hetzelfde volume gevuld met gouden nanobolletjes met een diameter van 1 nanometer heeft een oppervlakte groter dan een half voetbalveld.

'Tuning' nanodeeltjes

Onderzoekers zoals Gambhir en zijn collega's hebben geleerd hoe ze van veel van deze eigenschappen kunnen profiteren in hun zoektocht naar het opsporen en vernietigen van kankercellen in het lichaam, of om ze uit een bloedmonster te halen voor verder onderzoek. Door de grootte van de deeltjes te veranderen, de wetenschappers kunnen de nanodeeltjes "afstemmen" om zich op specifieke manieren te gedragen - fluorescerende verschillende kleuren voor beeldvormingsdoeleinden, bijvoorbeeld, of het grijpen en vervolgens vrijgeven van kankercellen voor studie. Sommige kunnen worden ontworpen om lichtenergie te absorberen om kleine akoestische trillingen aan te drijven die de aanwezigheid van een tumor signaleren of om hitte vrij te geven om de cellen van binnenuit te doden.

Onderzoekers profiteren ook van het enorme oppervlak van de deeltjes, ze bedekken met antilichamen of eiwitten die de thuisbasis zijn van kankercellen, of met signaalmoleculen die bij tienduizenden vrijkomen wanneer een kankercel wordt gelokaliseerd.

Gambhir gelooft dat nanotechnologie bijzonder nuttig zal zijn bij vroege diagnose en behandeling. "Het is niet dat onze therapieën slecht zijn - het is dat we ze te laat toepassen, " zei hij. "Nanotechnologie heeft het potentieel om vroege kankercellen te detecteren en zelfs te doden die aanwezig zijn in de honderden of duizenden versus de miljarden die al aanwezig zijn in momenteel diagnosticeerbare tumoren."

Hij en zijn collega's stellen zich een dag in de niet al te verre toekomst voor waarop nanosensoren geïmplanteerd in ons lichaam, of zelfs in huishoudelijke apparaten zoals het toilet, kan ons waarschuwen voor de eerste tekenen van problemen - vaak zonder onze bewuste deelname. Hij vergelijkt de aanpak met die van het besturen van een straalvliegtuig.

"De motor van een vliegtuig wordt constant gecontroleerd, en informatie wordt naar een wereldwijd portaal gestuurd om problemen in realtime te diagnosticeren, " zei hij. "Dat missen we tegenwoordig in de gezondheidszorg."

Maar misschien niet voor lang.

'Dokter inslikken'

Het concept van miniatuur medische volgelingen is niet nieuw. 1959, bekende natuurkundige Richard Feynman, doctoraat, besprak de mogelijkheid om "de dokter in te slikken" in een lezing aan het California Institute of Technology, en Britse onderzoekers realiseerden zich voor het eerst het potentieel van liposomen voor medicijnafgifte in 1961. Deze bolletjes kunnen zo worden ontworpen dat ze in hun binnenste wateroplosbare medicijnen bevatten, terwijl ze ook hydrofoob wegjagen, of onoplosbaar, medicijnen in hun vetmembraan. Zorgvuldige engineering kan resulteren in op liposomen gebaseerde structuren die meerdere geneesmiddelen afleveren in precieze verhoudingen en in hoge niveaus zonder de toxiciteiten die kunnen optreden bij het afleveren van de geneesmiddelen zonder deze structuren. Ze hopen zich van nature op in tumorweefsel, of kan worden gericht op specifieke celtypen door de toevoeging van antilichamen of andere moleculen aan hun oppervlak.

De techniek werd voor het eerst goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration in 1995 om het chemotherapie-medicijn doxorubicine af te leveren aan patiënten met AIDS-gerelateerd Kaposi-sarcoom. There are now more than a dozen liposomally packaged drugs on the marketplace, and researchers have begun to explore ways to use other types of nanoparticles to deliver not just drugs, but also small RNA molecules to block the expression of specific genes, or a payload of radioactivity to kill the cell.

"From a practical perspective, nano-based techniques aren't the wave of the future. This is the now, " said Heather Wakelee, MD, an associate professor of medicine at Stanford who focuses on the treatment of lung cancer patients. "And it's changing how we treat patients in the clinic."

Nanosensing technology

Researchers are working on technology for use outside the bodyto identify and characterize tumor cells present at minuscule levels in all manner of bodily fluids—tracking the course of a known disease or even pinpointing its inception long before symptoms arise.

Wakelee has worked with center co-director Wang to design a kind of "magnetic sifter" that quickly sorts cancer cells from normal blood, based on magnetic nanotags engineered to coat the cancer cells' surface. A key component of the technique is the ability to swiftly release the bound, living cells for further study. Another approach, also launched in Wang's lab, involves a magneto-nanosensor—a silicon-based chip smaller than a dime that can detect and quantify magnetic nanotags on cancer cells or cancer-associated DNA or protein molecules based on changes in the chip's external magnetic field.

This approach is being tested in clinical trials by MagArray, a company based in Milpitas, Californië, for its ability to detect multiple lung and prostate cancer biomarkers in patients' blood. Like other nanotechnology, it is exquisitely sensitive.

'Toward a simple blood draw'

These techniques may allow researchers to not just count the circulating tumor cells in a patient, but also to sequence cells' genomes or assess the levels of expression of cancer-associated proteins on their surfaces. Wakelee is also working with colleagues to develop ways to capture and sequence tumor DNA that circulates freely in the blood of cancer patients.

"We're looking for specific gene mutations that could change therapy, " she said. "In this way, we're moving away from invasive biopsies for our patients and toward a simple blood draw to learn more about an individual's specific cancer."

Gambhir is working to design gold and silica nanoparticles for use inside the body to detect colon cancer. The particles, which would be swallowed as pills, coat pockets of tumor cells that would normally be invisible during a colonoscopy, and can be visualized with a special endoscope designed by the team. The technique is under review by the FDA.

"Cancer is a very difficult disease to treat, and it's also difficult to diagnose early, " said Piotr Grodzinski, doctoraat, who directs the NCI's nanotechnology for cancer programs. "The alliance was created to bring together engineers and materials scientists, bijvoorbeeld, with biologists and oncologists to understand, first, how nanoparticles interact with biological systems and, second, how they interact with cancer cells and what they can do to the tumor."

"Stanford, in the heart of Silicon Valley, is a unique place for this kind of technology to develop, " said Gambhir. "The collaborative atmosphere brings together people to solve specific problems in cancer diagnosis and detection."

The crew on the Proteus managed to band together to save the defector—in the nick of time, of course—escaping through a tear duct after destroying the blood clot in his brain just before ballooning back to normal size. Nanomedicine for future patients will likely be less fraught with urgency, but the outcome will be more important. After all, the patient could be you.