Dr. Nanotech vs. rakovina

Pokud patříte ke třetině populace, u které se jednoho dne rozvine rakovina, vaše tělo bude obsahovat varovné signály dlouho předtím, než váš lékař bude schopen diagnostikovat onemocnění. Pokud by tyto jemné signály ve vašich buňkách a vašem krevním řečišti mohly být detekovány pouze dříve, měli byste mnohem větší šanci na přežití. Problém je v tom, že změny, které označují časná stadia rakoviny, jsou pozoruhodně složité – a často nepatrné, dokonce i na molekulární úrovni.

Ale James Heath, fyzikální chemik z California Institute of Technology, věří, že nanotechnologie by konečně mohla poskytnout řešení této molekulární hádanky. Heath sází na to, že banky ultramalých křemíkových drátů, z nichž každá je vyrobena k detekci specifického proteinu souvisejícího s rakovinou, by mohla zachytit i ty nejjemnější změny v chemii našeho těla. Nanosenzory, které Heath a jeho spolupracovníci z Caltechu vyvíjejí, budou současně hledat stovky nebo dokonce tisíce různých biomolekul například v kapce krve. Pokud budou fungovat, mohly by tyto nanosenzory být základem pro testy rakoviny, které jsou nejen přesnější, ale protože nezahrnují odběr vzorků tkáně a laboratorní analýzu, jsou levnější a pohodlnější než ty, které jsou nyní k dispozici.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z února 2005

• Viz zbytek čísla
• předplatit

To samozřejmě moc neříká. Vyšetřování většiny rakovin zůstává primitivní, často zahrnuje jednoduchá fyzikální vyšetření k nalezení důkazu růstu nádoru nebo hrubé zobrazovací metody, jako je mamografie a rentgenové záření. Krevní testy existují pro několik druhů rakoviny, jako je rakovina prostaty a vaječníků, ale jejich účinnost je žalostná; nejen že jsou pomalé a nákladné, ale také notoricky nespolehlivé. K diagnostice rakoviny prostaty například lékaři hledají v krvi protein zvaný PSA (prostatický specifický antigen). Ale pouze 25 až 30 procent mužů, kteří procházejí nesmírně stresujícím procesem tkáňových biopsií kvůli vysokým hladinám PSA v krvi, má ve skutečnosti rakovinu prostaty. PSA je vždy v prostatě, upozorňuje Heath, a neustále uniká do krve v malých množstvích. Když dojde k nějakému traumatu prostaty – což může být rakovina nebo něco jiného – uniká ven ve větším množství. Ale je to velmi špatný marker pro rané stadium rakoviny prostaty, protože v této fázi prostata opravdu není příliš traumatizována.

Přesnější test rakoviny by lépe odrážel složitost biomolekulárních událostí. Heathovou ambicí je zkonstruovat zařízení, která dokážou nejen provádět více měření najednou, z kapky krve nebo několika buněk odebraných z konkrétní tkáně, ale také detekovat extrémně malá množství biomolekul. Snažíme se vyvinout test založený na píchnutí do prstu, vysvětluje. Rádi bychom, aby tento test byl nakonec něčím podobným tomu, co se používá u diabetiků. Diabetici si nyní mohou monitorovat hladinu glukózy, a protože to mohou dělat pravidelně, převezmou nad nemocí kontrolu. Rádi bychom vyvinuli podobnou platformu pro rakovinu.

Skládání puzzle
Výzkum rakoviny se může zdát nepravděpodobným místem, kde skončil James Heath. Jako postgraduální student na Rice University v Houstonu na počátku 80. let začal studovat vlastnosti malých kousků materiálů. Byl součástí týmu, který v roce 1985 objevil uhlíkovou molekulu C60 ve tvaru fotbalového míče; objev vynesl Heathovu profesorovi Richardu Smalleymu o 11 let později Nobelovu cenu a pomohl zahájit dnešní zájem o nanotechnologie. Heath ale později přesunul své zaměření na polovodiče, jako je křemík, používaný mikroelektronickým průmyslem, a hledal způsoby, jak z nich vytvořit stále menší zařízení. Nedávno se spolupracovníky z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře vymysleli metodu výroby křemíkových drátů širokých jen několik nanometrů, asi desetkrát menší než nejmenší prvky v dnešních integrovaných obvodech.

Pokrok byl milníkem v pokračující miniaturizaci elektroniky. A, říká Heath, doufali jsme, že vyřešením tak obtížného problému se naskytnou další příležitosti. Udělali: Heath si uvědomil, že tyto nanodrátky mohou také sloužit jako ultracitlivé biosenzory.

Uvědomil si však také, že začlenění nanodrátů do účinného diagnostického nástroje nebude snadné. Změny ve zdravotním stavu člověka se odrážejí v divokých výkyvech koncentrací biomolekul, jak se různé geny zapínají a vypínají. Ale za posledních několik let si genetici a molekulární biologové uvědomili, že geny obecně nejednají nezávisle. Mají tendenci fungovat ve skupinách a sítích a mohou si navzájem regulovat svůj projev. Takže pochopení molekulárních otisků nemocí vyžaduje pochopení na systémové úrovni toho, jak geny a proteiny spolupracují.

Zde přichází Heathův spolupracovník, Leroy Hood, zakladatel Institutu pro systémovou biologii v Seattlu. Systémoví biologové se dívají na buňku podobně jako elektroinženýr na složitý obvod: jako na vysoce propojený systém komponent, které se navzájem zapínají. a vypnuté a reléové signály. Heathovy senzory mohou poskytnout tisíce vodítek ke zdravotnímu stavu člověka, ale Hoodův systémově-biologický přístup je nutný k tomu, aby se všechny tyto kousky informací spojily do koherentního obrazu.

Hood a jeho tým například zkoumali, jak jsou geny exprimovány k produkci proteinů v buňkách a tkáních postižených rakovinou prostaty. Naše myšlenka, říká Hood, je, že rozdíl mezi normálními a nemocnými buňkami je v tom, že regulační sítě proteinů a genů v nemocných buňkách byly narušeny a tyto poruchy způsobené nemocí se odrážejí ve změněných vzorcích exprese proteinů řízených sítěmi. Část těchto narušených proteinů si najde cestu do krve a vytvoří molekulární otisky prstů, které jsou diagnostické nejen pro zdraví a nemoc, ale také pro jakou nemoc a jaký typ konkrétní nemoci. (Existují například nejméně tři různé typy rakoviny prostaty.)

Identifikovali jsme 300 genů [marker rakoviny], které jsou jedinečně exprimovány v prostatě, říká Hood, a předpovídáme, že asi 62 z nich může být vylučováno do krve. Jeden z nich jsme testovali vytvořením protilátek proti němu a prokázali jsme, že byl přítomen pouze v krvi pacientů s rakovinou prostaty. Hoodův tým nyní testuje pět dalších proteinů vylučovaných rakovinou prostaty. Našla také podobnou řadu genů, které by měly být diagnostické pro rakovinu vaječníků.

Fluidní situace
Jak přesně by vypadal nanosenzor pro detekci takových proteinů? Aby se z nanodrátu stal tranzistor, přivedou vědci každý z jeho konců do kontaktu s kovovými dráty, aby jím mohl procházet proud. Poté umístí elektrodu blízko k nanodrátku. Nabíjení této elektrody mění vodivost nanodrátu, zapíná a vypíná jej – to vše je známé každému elektroinženýrovi.

Heath pak transformuje své nanodrátové tranzistory na malé biosenzory. Řekněme například, že jeden nanodrát má fungovat jako senzor pro určitý protein. Vědci pokrývají povrch drátu protilátkami, které se přilepí na cílový protein, ale ne na jiné molekuly. Když se proteiny navážou na protilátky, interagují s elektrony pohybujícími se v povrchové vrstvě nanodrátu a mění jeho vodivost. Pokud je drát tlustý jen několik nanometrů, dochází k výrazné – a měřitelné – změně jeho celkové vodivosti. Pokud je drát opravdu, ale opravdu malý, říká Heath, místo abychom na něj dali napětí, můžeme na něj umístit molekuly a chemická událost způsobí, že tranzistor přepne.

Jejich malá velikost také činí zařízení velmi citlivými. V konečném důsledku bude počet molekul potřebných k vytvoření měření záviset na tom, jak pevně se vážou k receptorovým skupinám na povrchu senzoru; ale mohlo by být možné detekovat jednotlivé molekuly. Heath říká, že ačkoli jeho skupina ještě nedosáhla této úrovně citlivosti, podařilo se jí detekovat jen několik molekul. (Charles Lieber z Harvardské univerzity mezitím prokázal nanosenzory, které dokážou detekovat jedinou virovou částici*).

Ale není to jen vysoká citlivost, na kterou Heath spoléhá při snadné a včasné detekci nemoci. Můžeme vyrobit tisíce těchto senzorů na velmi malé ploše, říká. To znamená schopnost prověřovat různý molekulární obsah jednotlivých buněk. Heath spolupracuje s odborníkem na mikrofluidiku ze Stanfordské univerzity Stephenem Quakem na výrobě čipů, ve kterých tekutiny pumpované dolů mikroskopickými kanály přenášejí jednotlivé buňky do polohy přes pole nanosenzorů, kde je lze studovat jednu po druhé.

Veškerá tato technologie musí být nakonec integrována do zařízení použitelného na klinice, což znamená řešení ještě více technických a praktických problémů. V roce 2003 Institute for Systems Biology, Caltech, a University of California, Los Angeles, založily NanoSystems Biology Alliance, aby zajistily, že nové nástroje budou odrážet nejnovější pokroky v biologii a imunologii rakoviny. Diagnóza rakoviny a dalších nemocí, říká Quake, bude provedena automaticky, během několika sekund nebo minut, pouze na hrstce buněk nebo jejich obsahu. A tato domněnka, jak předpovídá, se během tohoto desetiletí promění ve skutečnost.

Nejnovější kniha Philipa Balla se jmenuje Critical Mass: Jak jedna věc vede k druhé .

skrýt