Nanotechnologie creëert nieuwe kansen voor de bestrijding van ziekten - van het leveren van medicijnen in slimme verpakkingen tot nanobots die worden aangedreven door 's werelds kleinste motoren.

Chemotherapie komt ten goede aan een groot aantal patiënten, maar de bijwerkingen kunnen brutaal zijn.

Wanneer een patiënt wordt geïnjecteerd met een geneesmiddel tegen kanker, het idee is dat de moleculen kwaadaardige tumorcellen zullen opzoeken en vernietigen. Echter, relatief grote hoeveelheden moeten worden toegediend om het doel te bereiken in voldoende hoge concentraties om effectief te zijn. Als gevolg van deze hoge geneesmiddelconcentratie, gezonde cellen kunnen worden gedood, evenals kankercellen, waardoor veel patiënten zwak, misselijk en vatbaar voor infecties.

Een manier waarop onderzoekers proberen de veiligheid en werkzaamheid van geneesmiddelen te verbeteren, is door een relatief nieuw onderzoeksgebied te gebruiken dat bekend staat als nanotherapie om de medicijnafgifte alleen te richten op de cellen die het nodig hebben.

Professor Sir Mark Welland is hoofd van de afdeling Electrical Engineering in Cambridge. In recente jaren, zijn onderzoek heeft zich gericht op nanotherapeutica, in samenwerking met clinici en de industrie werken aan betere, veiliger medicijnen. Hij en zijn collega's ontwerpen geen nieuwe medicijnen; in plaats daarvan, ze ontwerpen en bouwen slimme verpakkingen voor bestaande medicijnen.

Nanotherapeutica zijn er in veel verschillende configuraties, maar de gemakkelijkste manier om erover na te denken is zo klein, goedaardige deeltjes gevuld met een medicijn. Ze kunnen op dezelfde manier worden geïnjecteerd als een normaal medicijn, en via de bloedbaan naar het doelorgaan worden vervoerd, weefsel of cel. Op dit punt, een verandering in de lokale omgeving, zoals pH, of het gebruik van licht of ultrageluid, zorgt ervoor dat de nanodeeltjes hun lading vrijgeven.

Er wordt steeds vaker gekeken naar instrumenten van nanoformaat voor diagnose, medicijnafgifte en therapie. "Er zijn momenteel enorm veel mogelijkheden, en waarschijnlijk komen er nog meer, daarom is er zoveel belangstelling, ", zegt Welland. Met behulp van slimme chemie en engineering op nanoschaal, drugs kunnen worden 'geleerd' om zich als een Trojaans paard te gedragen, of om hun vuur vast te houden tot het juiste moment, of om het doelwit te herkennen waarnaar ze op zoek zijn.

"We proberen altijd technieken te gebruiken die kunnen worden opgeschaald - we vermijden het gebruik van dure chemicaliën of dure apparatuur, en daar zijn we redelijk in geslaagd, " voegt hij eraan toe. "Door de kosten laag te houden en schaalbare technieken te gebruiken, we hebben een veel betere kans om een ​​succesvolle behandeling voor patiënten te maken."

In 2014, hij en medewerkers toonden aan dat gouden nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om chemotherapiemedicijnen in kankercellen in glioblastoma multiforme te 'smokkelen', de meest voorkomende en agressieve vorm van hersenkanker bij volwassenen, die notoir moeilijk te behandelen is. Het team ontwikkelde nanostructuren die goud en cisplatine bevatten, een conventioneel medicijn voor chemotherapie. Een coating op de deeltjes zorgde ervoor dat ze werden aangetrokken door tumorcellen van glioblastoompatiënten, zodat de nanostructuren bonden en opgenomen werden in de kankercellen.

Eenmaal binnen, deze nanostructuren werden blootgesteld aan radiotherapie. Dit zorgde ervoor dat het goud elektronen vrijmaakte die het DNA van de kankercel en de algehele structuur ervan beschadigden. het versterken van de impact van het chemotherapiemedicijn. Het proces was zo effectief dat 20 dagen later, de celkweek toonde geen bewijs van enige opleving, wat suggereert dat de tumorcellen waren vernietigd.

Hoewel de techniek nog enkele jaren verwijderd is van gebruik bij mensen, tests zijn begonnen bij muizen. Welland's groep werkt samen met MedImmune, de biologische R&D-afdeling van farmaceutisch bedrijf AstraZeneca, om de stabiliteit van medicijnen te bestuderen en manieren te bedenken om ze effectiever af te leveren met behulp van nanotechnologie.

"Een van de grote voordelen van het werken met MedImmune is dat ze precies begrijpen wat de vereisten zijn voor een medicijn om goedgekeurd te worden. We zouden onderzoekslijnen stopzetten waarvan we dachten dat het nooit tot goedkeuring door de regelgevers zou komen, ", zegt Welland. "Het is belangrijk om er pragmatisch over te zijn, zodat alleen de benaderingen met de beste kans om bij patiënten te werken, worden voortgezet."

De onderzoekers richten zich ook op ziekten zoals tuberculose (tbc). Met financiering van de Rosetrees Trust, Welland en postdoctoraal onderzoeker dr. Íris da luz Batalha werken samen met professor Andres Floto van de afdeling Geneeskunde om de werkzaamheid van tbc-medicijnen te verbeteren.

Hun oplossing was het ontwerpen en ontwikkelen van niet-toxische, biologisch afbreekbare polymeren die kunnen worden 'versmolten' met tbc-medicijnmoleculen. Omdat polymeermoleculen een lange, kettingachtige vorm, medicijnen kunnen langs de lengte van de polymeerruggengraat worden bevestigd, wat betekent dat zeer grote hoeveelheden van het medicijn op elk polymeermolecuul kunnen worden geladen. De polymeren zijn stabiel in de bloedbaan en geven de medicijnen af ​​die ze dragen wanneer ze de doelcel bereiken. Binnen in de cel, de pH daalt, waardoor het polymeer het medicijn afgeeft.

In feite, de polymeren werkten zo goed voor tbc-medicijnen dat een andere postdoctorale onderzoeker van Welland, Dr Myriam Ouberaï, heeft een start-up bedrijf opgericht, Spirea, die geld inzamelt om de polymeren te ontwikkelen voor gebruik met oncologische geneesmiddelen. Ouberaï hoopt de komende twee jaar een samenwerking aan te gaan met een farmaceutisch bedrijf.

"Het ontwerpen van deze deeltjes, ze met drugs laden en slim maken zodat ze hun lading gecontroleerd en precies vrijgeven:het is nogal een technische uitdaging, " voegt Welland toe. "De belangrijkste reden dat ik geïnteresseerd ben in de uitdaging is dat ik iets wil zien werken in de kliniek – ik wil iets zien werken bij patiënten."

Kan nanotechnologie verder gaan dan therapieën naar een tijd waarin nanomachines ons gezond houden door te patrouilleren, het lichaam bewaken en repareren?

Nanomachines zijn al lang een droom van zowel wetenschappers als het publiek. Maar door uit te zoeken hoe je ze kunt laten bewegen, zijn ze in het rijk van science fiction gebleven.

Maar vorig jaar, Professor Jeremy Baumberg en collega's in Cambridge en de Universiteit van Bath ontwikkelden 's werelds kleinste motor - slechts een paar miljardste van een meter groot. Het is biocompatibel, kosteneffectief te vervaardigen, snel te reageren en energiezuinig.

De krachten die door deze 'ANT's' (voor 'aansturing van nano-transducers') worden uitgeoefend, zijn bijna honderd keer groter dan die van enig bekend apparaat, motoriek of spier. Om ze te maken, minuscule geladen deeltjes goud, samengebonden met een temperatuurgevoelige polymeergel, worden verwarmd met een laser. Terwijl de polymeercoatings water uit de gel verdrijven en instorten, een grote hoeveelheid elastische energie wordt in een fractie van een seconde opgeslagen. Bij koeling, de deeltjes springen uit elkaar en geven energie af.

De onderzoekers hopen dit vermogen van ANT's te gebruiken om zeer grote krachten te produceren in verhouding tot hun gewicht om driedimensionale machines te ontwikkelen die zwemmen, hebben pompen die vloeistof opnemen om de omgeving te voelen en die klein genoeg zijn om door onze bloedbaan te bewegen.

Werken met Cambridge Enterprise, de commercialiseringstak van de universiteit, het team in Cambridge's Nanophotonics Center hoopt de technologie voor microfluïdische bio-toepassingen te commercialiseren. Het werk wordt gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council en de European Research Council.

"Er is een revolutie gaande in gepersonaliseerde gezondheidszorg, en daarvoor hebben we sensoren nodig, niet alleen aan de buitenkant, maar ook aan de binnenkant, " legt Baumberg uit, die een interdisciplinair strategisch onderzoeksnetwerk en een doctoraatsopleidingscentrum leidt, gericht op nanowetenschap en nanotechnologie.

"Nanowetenschap stuurt dit aan. We bouwen nu technologie waarmee we ons deze toekomst zelfs kunnen voorstellen."