Sværme af robotter kunne bekæmpe kræft (med din hjælp)

Kræftforskere er ikke bange for at bruge nanoteknologi. Deres arbejde gør lovende fremskridt i udviklingen af ​​sikrere og mere effektive behandlinger. Og nu, ny udvikling på området betyder, at offentligheden kan hjælpe gennem crowdsourcing.

Kræft forårsager hvert fjerde dødsfald i USA, og anslået 12,7 millioner nye kræfttilfælde blev diagnosticeret verden over i 2008. Nuværende behandlinger er langt fra ideelle. For eksempel, typiske kemoterapier siver ud af blodstrømmen efter injektion og spredes i hele kroppen. Lægemidlerne kan derefter angribe alle de stødte celler - også sunde - hvilket forårsager betydelige bivirkninger.

Dette er naturligvis langt fra ideelt. Bioingeniører eksperimenterer derfor med nanopartikler, der kan levere medicin og diagnostik direkte til tumorer. Nanopartikler er lidt større end medicin:omkring fem til 500 nanometer, som er omkring 100 til 10, 000 gange mindre end et menneskehår. Denne særlige størrelse giver dem mulighed for at lække ud af de store porer i tumorkar, og alligevel stadig være indeholdt i blodstrømmen i resten af ​​kroppen. Som resultat, nanopartikler kan passivt akkumulere i tumorer og samtidig undgå sundt væv.

Nanopartikler findes i forskellige størrelser, former og materialer. De kan fyldes med lægemidler, der frigives kontrolleret og belagt med molekyler, der gør det muligt for dem at interagere med deres miljø. Nogle af disse molekyler kan være en signatur til entydigt at identificere kræftceller. Ved binding, celler kan opsluge nanopartikler, der derefter leverer deres last inden for cellen.

Der er mange måder, du kan designe en nanopartikel på. Afhængigt af dit design, nanopartiklen vil bevæge sig, sanse og handle på forskellige måder - ligesom en robot. Kontrol er i designet af nanopartiklerne og deres interaktioner med miljøet, snarere end nogen intelligens inde i den. Med andre ord, ændring af nanopartikelens krop vil ændre dets adfærd:vi kalder det legemliggjort intelligens.

Udfordringen er at forstå, hvilket nanopartikeldesign der vil forbedre behandlingsresultatet. Dette er et vanskeligt problem, fordi billioner af nanopartikler interagerer i en tumor med millioner af celler. At forudsige og optimere adfærden for alle disse nanopartikler i et så komplekst system er i bedste fald gætteværk.

Sværmskontrol

Ligesom vores nanopartikler, flokke af fugle, myre kolonier, celler og robotkollektiver kan udvise tilsyneladende kompleks sværmadfærd, når et stort antal simple agenter reagerer på lokal information. Vores mål er nu at undersøge, hvordan nanopartikler kan samarbejde, eller sværm, at synergistisk forbedre deres terapeutiske effekt.

Nylige arbejde fra Bhatia Laboratory på MIT viser løfte i denne retning. Guldnanopartikler akkumuleres passivt i tumoren. Nanopartiklerne ville derefter blive opvarmet ved hjælp af en laser, derved forårsager skade på tumorvævet. Den anden bølge af nanopartikler, konstrueret til at binde sig til det beskadigede væv, ville derfor akkumulere ved højere tal der.

Ved hjælp af en simulator, der modellerer, hvordan nanopartikler interagerer med hinanden og tumormiljøet, vi kan nu udforske sådanne nanopartikelsværmsdesigner. I videoeksemplet herunder, simulerede nanopartikler, der forlader et blodkar (i rødt), skal finde en sjælden celle (med en lyserød kant) i tumorvævet.

Denne sjældne celle kunne have en specifik mutation, og dens påvisning kan hjælpe med at identificere en lomme med celler, der er resistente over for behandling. Ved smart at konstruere nanopartiklerne og hvordan de interagerer med deres miljø, vi er i stand til at markere direkte stier fra karrene til cellen. Ligesom myrer, der danner stier for at nå dit picnicbord, disse nanopartikler virker ved at deponere og interagere med information i miljøet.

Der er mange sådanne tumorscenarier og sværmstrategier. Hver enkelt tager tid at udforske og kræver store mængder af forsøg og fejl. Også, hvert problem er anderledes, gør det svært at programmere en computer, der automatisk kan designe nanopartiklerne.

Crowdsourcing giver derfor bioingeniører og offentligheden mulighed for at forestille sig nye nanopartikelstrategier mod behandling af kræft. Simulatoren kaldet Nanodoc forudsiger, hvordan nanopartikler opfører sig i tumorer og er baseret på mange års forskning. Håbet er, at folk, der bruger simulatoren, kan hjælpe med at opdage nye, kreative og effektive nanopartikelstrategier, som vi ikke har tænkt på i laboratoriet.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/Ingen derivater).