Sådan træner du dine lægemidler:fra nanoterapi til nanobotter

Nanoteknologi skaber nye muligheder for at bekæmpe sygdom – fra levering af lægemidler i smart emballage til nanobots drevet af verdens mindste motorer.

Kemoterapi gavner rigtig mange patienter, men bivirkningerne kan være brutale.

Når en patient injiceres med et lægemiddel mod kræft, tanken er, at molekylerne vil opsøge og ødelægge useriøse tumorceller. Imidlertid, relativt store mængder skal administreres for at nå målet i høje nok koncentrationer til at være effektiv. Som et resultat af denne høje lægemiddelkoncentration, raske celler kan blive dræbt såvel som kræftceller, efterlader mange patienter svage, kvalme og sårbar over for infektion.

En måde, som forskere forsøger at forbedre sikkerheden og effektiviteten af ​​lægemidler på, er at bruge et relativt nyt forskningsområde kendt som nanoterapi til at målrette lægemiddellevering kun til de celler, der har brug for det.

Professor Sir Mark Welland er leder af Electrical Engineering Division i Cambridge. I de seneste år, hans forskning har fokuseret på nanoterapeutika, arbejder i samarbejde med klinikere og industri for at udvikle bedre, sikrere stoffer. Han og hans kolleger designer ikke nye lægemidler; i stedet, de designer og bygger smart emballage til eksisterende lægemidler.

Nanoterapeutika kommer i mange forskellige konfigurationer, men den nemmeste måde at tænke på dem er så små, godartede partikler fyldt med et lægemiddel. De kan injiceres på samme måde som et normalt lægemiddel, og føres gennem blodbanen til målorganet, væv eller celle. På dette tidspunkt, en ændring i lokalmiljøet, såsom pH, eller brug af lys eller ultralyd, får nanopartiklerne til at frigive deres last.

Værktøjer i nanostørrelse bliver i stigende grad kigget på til diagnose, medicinafgivelse og terapi. "Der er et stort antal muligheder lige nu, og sikkert mere på vej, derfor har der været så stor interesse, " siger Welland. Ved at bruge smart kemi og teknik på nanoskala, stoffer kan "læres" til at opføre sig som en trojansk hest, eller at holde deres ild indtil det helt rigtige øjeblik, eller for at genkende det mål, de leder efter.

"Vi forsøger altid at bruge teknikker, der kan skaleres op - vi undgår at bruge dyre kemikalier eller dyrt udstyr, og det har vi haft rimelig succes med, "tilføjer han." Ved at holde omkostningerne nede og bruge skalerbare teknikker, vi har en langt bedre chance for at lave en vellykket behandling for patienterne."

I 2014, han og samarbejdspartnere demonstrerede, at nanopartikler af guld kunne bruges til at 'smugle' kemoterapimediciner ind i kræftceller i glioblastoma multiforme, den mest almindelige og aggressive type hjernekræft hos voksne, som er notorisk svært at behandle. Holdet konstruerede nanostrukturer indeholdende guld og cisplatin, et konventionelt kemoterapipræparat. En belægning på partiklerne gjorde dem tiltrukket af tumorceller fra glioblastompatienter, så nanostrukturerne bandt og blev absorberet i kræftcellerne.

En gang indenfor, disse nanostrukturer blev udsat for strålebehandling. Dette fik guldet til at frigive elektroner, der beskadigede kræftcellens DNA og dens overordnede struktur, at øge virkningen af ​​kemoterapien. Processen var så effektiv, at 20 dage senere, cellekulturen viste ingen tegn på genoplivning, tyder på, at tumorcellerne var blevet ødelagt.

Mens teknikken stadig er flere år væk fra brug hos mennesker, forsøg er begyndt på mus. Wellands gruppe arbejder med MedImmune, den biologiske F &U -arm af lægemiddelvirksomheden AstraZeneca, at studere stabiliteten af ​​lægemidler og at designe måder at levere dem mere effektivt ved hjælp af nanoteknologi.

"En af de store fordele ved at arbejde med MedImmune er, at de forstår præcist, hvad kravene er for, at et lægemiddel skal godkendes. Vi ville lukke ned for forskningslinjer, hvor vi troede, det aldrig ville nå til det punkt, hvor regulatorerne blev godkendt, " siger Welland. "Det er vigtigt at være pragmatisk omkring det, så kun de tilgange med den bedste chance for at arbejde i patienter tages videre."

Forskerne er også rettet mod sygdomme som tuberkulose (TB). Med finansiering fra Rosetrees Trust, Welland og postdoc-forsker Dr. Íris da luz Batalha arbejder sammen med professor Andres Floto i Institut for Medicin for at forbedre effektiviteten af ​​TB-lægemidler.

Deres løsning har været at designe og udvikle giftfri, bionedbrydelige polymerer, der kan 'fusioneres' med TB-lægemiddelmolekyler. Da polymermolekyler har en lang, kædelignende form, lægemidler kan fastgøres langs længden af ​​polymerryggen, hvilket betyder, at meget store mængder af lægemidlet kan fyldes på hvert polymermolekyle. Polymererne er stabile i blodbanen og frigiver de lægemidler, de bærer, når de når målcellen. Inde i cellen, pH falder, hvilket får polymeren til at frigive lægemidlet.

Faktisk, polymererne fungerede så godt for TB -lægemidler, at en anden af ​​Wellands postdoktorale forskere, Dr. Myriam Ouberaï, har dannet en nystartet virksomhed, Spirea, som samler midler til at udvikle polymererne til brug med onkologiske lægemidler. Ouberaï håber at etablere et samarbejde med en farmavirksomhed i løbet af de næste to år.

"Designer disse partikler, læsse dem med stoffer og gøre dem kloge, så de frigiver deres last på en kontrolleret og præcis måde:det er noget af en teknisk udfordring, " tilføjer Welland. "Hovedårsagen til, at jeg er interesseret i udfordringen, er, at jeg gerne vil se noget arbejde i klinikken – jeg vil se noget arbejde hos patienterne."

Kunne nanoteknologi gå videre end terapeutisk til en tid, hvor nanomaskiner holder os sunde ved at patruljere, overvågning og reparation af kroppen?

Nanomaskiner har længe været en drøm for videnskabsmænd og offentligheden. Men at finde ud af, hvordan man får dem til at bevæge sig, har betydet, at de er blevet i science fiction-området.

Men sidste år, Professor Jeremy Baumberg og kolleger i Cambridge og University of Bath udviklede verdens mindste motor – kun et par milliardtedele meter i størrelse. Det er biokompatibelt, omkostningseffektiv at fremstille, hurtig at reagere og energieffektiv.

De kræfter, der udøves af disse 'ANT'er' (til 'aktivering af nanotransducere') er næsten hundrede gange større end kræfterne for nogen kendt enhed, motor eller muskel. For at lave dem, små ladede partikler af guld, bundet sammen med en temperaturfølsom polymergel, opvarmes med laser. Når polymerbelægningerne udstøder vand fra gelen og kollapser, en stor mængde elastisk energi lagres på en brøkdel af et sekund. Ved afkøling, partiklerne springer fra hinanden og frigiver energi.

Forskerne håber at bruge denne evne hos ANT'er til at producere meget store kræfter i forhold til deres vægt til at udvikle tredimensionelle maskiner, der svømmer, har pumper, der optager væske til at fornemme miljøet og er små nok til at bevæge sig rundt i vores blodbane.

Arbejde med Cambridge Enterprise, universitetets kommercialiseringsarm, holdet i Cambridges Nanophotonics Center håber at kommercialisere teknologien til mikrofluidiske bioapplikationer. Arbejdet er finansieret af Engineering and Physical Sciences Research Council og European Research Council.

"Der sker en revolution inden for personlig sundhedspleje, og til det har vi brug for sensorer ikke kun på ydersiden, men på indersiden, "forklarer Baumberg, der leder et tværfagligt strategisk forskningsnetværk og ph.d.-uddannelsescenter med fokus på nanovidenskab og nanoteknologi.

"Nanovidenskab driver dette. Vi bygger nu teknologi, der giver os mulighed for endda at forestille os disse fremtider."