Miniaturowe urządzenia w organizmach ludzi będą się troszczyć o ich zdrowie
Ból jest już nie do zniesienia, a zawroty głowy uniemożliwiają utrzymanie równowagi. Tomografia komputerowa nie pozostawia złudzeń: nowotwór mózgu. Pacjent ma jednak spore szanse przeżycia. Lekarz wprowadza do jego organizmu miniaturowe urządzenie, które wykryje i zniszczy guz. Wystarczy zastrzyk i pacjent może iść do domu. Czy to science fiction? Niekoniecznie. Już w najbliższej dekadzie, jak prognozują naukowcy, takie urządzenia wejdą do powszechnego użytku. Pozwolą na precyzyjne aplikowanie leku, wykrywanie stanów chorobowych oraz niedoborów określonych substancji w organizmie, a przez stymulację ekspresji genów umożliwią nawet produkcję leków w ciele pacjenta.
Z krwią do serca
Aby wprowadzone do organizmu nanourządzenia dotarły do organu i zadziałały, konieczne stało się opracowanie sposobu ich napędzania. "Naszym celem było stworzenie urządzenia, które byłoby połączeniem elementów organicznych i nieorganicznych" - powiedział tygodnikowi "New Scientist" Carlo Montemagno z Cornell University, twórca biomolekularnego silnika, który pobiera energię z komórek ciała i dzięki temu może się samodzielnie poruszać po organizmie. Silnik ma 10 nanometrów; jest pięć razy mniejszy od czerwonej krwinki. - Składa się z siedmiu dużych protein, a jedna z nich pełni funkcję rotora. Po zetknięciu się z molekułami ATP ("paliwem komórkowym") proteiny odkształcają się, wprawiając w ruch wciśnięty między nie rotor - objaśnia działanie urządzenia Jacob Schmidt z Cornell University, który współpracował nad projektem z Montemagno. - W obiektach mniejszych od komórek naszego ciała niemożliwe jest zastosowanie rozwiązań konstrukcyjnych sprawdzających się w skali makro. Trzeba więc było opracować nowe. Na szczęście wielu pomysłów dostarczyła nam sama natura.
Lekarstwo z dostawą do mózgu
MicroChips Inc. z Cambridge prowadzi prace nad mikroprocesorem zasilanym baterią, który nawet przez kilka tygodni sterowałby uwalnianiem do organizmu leku z ponad stu miniaturowych zbiorników. Jak przewidują przedstawiciele firmy, urządzenie będzie stosowane do łagodzenia objawów śmiertelnych chorób, takich jak rak mózgu. "W miarę powstawania coraz skuteczniejszych leków konieczne staje się także unowocześnienie sposobów ich podawania" - mówi John Santini, szef MicroChips Inc. Zanim zwykła pigułka trafi do krwiobiegu, a następnie miejsca dotkniętego chorobą, musi przejść przez układ pokarmowy. Z kolei zastrzyki są bolesne i trudne do zaaplikowania. Poza tym pacjenci muszą pamiętać o regularnym przyjmowaniu lekarstwa. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) rozważa możliwość dopuszczenia do sprzedaży Leuprogelu - leku na raka prostaty. Żel po wstrzyknięciu pod skórę twardnieje, a później stopniowo się rozkłada, uwalniając dawki medykamentu. Proces ten trwa trzy miesiące.
W wypadku chemoterapii silne toksyczne leki nie zwalczają wyłącznie komórek rakowych. Kuracja ta powoduje poważne efekty uboczne, takie jak wypadanie włosów, utrata apetytu czy podatność na infekcje. Medycyna próbuje przezwyciężyć takie wady leczenia, dążąc do tego, by preparat był dostarczany dokładnie w miejsce, gdzie jest potrzebny. Co więcej, naukowcy idą krok dalej - chcą przenieść produkcję leku do wnętrza organizmu.
Własna fabryka leków
Do tej pory cukrzycy skazani byli na kłopotliwe zastrzyki z insuliny. Świadomi tej niedogodności inżynierowie zaprojektowali injex - urządzenie umożliwiające aplikowanie insuliny bez igły (niedawno FDA zezwoliła na jego sprzedaż). Prawdziwą rewolucję w leczeniu cukrzycy spowoduje jednak nanotechnologia. Tejal Desai z University of Illinois wraz z zespołem naukowców opracowała implant wspomagający produkcję insuliny i wprowadzenie jej do krwiobiegu. Krzemowa "klatka" ma jedną dziesiątą milimetra i zawiera komórki pobrane z trzustki zwierzęcej. Molekuły glukozy są małe, dlatego przedostają się do wnętrza urządzenia. Gdy zostaną wykryte, komórki uwięzione w klatce rozpoczynają wytwarzanie insuliny. Antyciała są z kolei za duże, aby przeniknąć do środka, dlatego zwierzęce komórki nie zostają rozpoznane, a implant - odrzucony.
"Ponieważ możemy oddziaływać na poszczególne komórki, powinniśmy wykorzystać ich nieprawdopodobne możliwości i sprawić, by były fabrykami farmaceutyków" - twierdzi Milan Mrksich, chemik z University of Chicago, który pracuje nad stymulowaniem prądem reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Mrksich ma nadzieję, że w efekcie takiej stymulacji organizm będzie mógł wytwarzać leki, a także substancje, których mu w danym momencie brakuje.
Wizje i rzeczywistość
"Biologia to nic innego jak molekularna maszyneria stworzona przez ewolucję" - napisał Eric Drexler z Massachusetts Institute of Technology w książce "Engines of Creation". "Przyszłością medycyny będą miniaturowe maszyny naprawiające błędy w DNA. Dzięki nim starzenie się i śmierć przestaną być problemem". Drexler utrzymuje wprawdzie, że jego pomysły są bliskie realizacji, lecz wielu naukowców traktuje je jak fantazje. - Na razie nanomechaniczne rozwiązania, jakie wykorzystaliśmy w naszym silniku, pozostają w sferze prób. Powszechnie stosowane będą dopiero mniej więcej za dziesięć lat - ocenia Schmidt. Obecnie działa zaledwie do 4 proc. molekularnych silników.
W zeszłym roku Europa, Japonia i USA przeznaczyły na rozwój nanomedycyny 624 mln dolarów, czyli o 80 proc. więcej niż cztery lata wcześniej. "Jeśli zmiany będą następować w takim tempie, fikcja może się stać rzeczywistością już za dziesięć lat" - mówi Gary Sayler, mikrobiolog z University of Tennessee.
Z krwią do serca
Aby wprowadzone do organizmu nanourządzenia dotarły do organu i zadziałały, konieczne stało się opracowanie sposobu ich napędzania. "Naszym celem było stworzenie urządzenia, które byłoby połączeniem elementów organicznych i nieorganicznych" - powiedział tygodnikowi "New Scientist" Carlo Montemagno z Cornell University, twórca biomolekularnego silnika, który pobiera energię z komórek ciała i dzięki temu może się samodzielnie poruszać po organizmie. Silnik ma 10 nanometrów; jest pięć razy mniejszy od czerwonej krwinki. - Składa się z siedmiu dużych protein, a jedna z nich pełni funkcję rotora. Po zetknięciu się z molekułami ATP ("paliwem komórkowym") proteiny odkształcają się, wprawiając w ruch wciśnięty między nie rotor - objaśnia działanie urządzenia Jacob Schmidt z Cornell University, który współpracował nad projektem z Montemagno. - W obiektach mniejszych od komórek naszego ciała niemożliwe jest zastosowanie rozwiązań konstrukcyjnych sprawdzających się w skali makro. Trzeba więc było opracować nowe. Na szczęście wielu pomysłów dostarczyła nam sama natura.
Lekarstwo z dostawą do mózgu
MicroChips Inc. z Cambridge prowadzi prace nad mikroprocesorem zasilanym baterią, który nawet przez kilka tygodni sterowałby uwalnianiem do organizmu leku z ponad stu miniaturowych zbiorników. Jak przewidują przedstawiciele firmy, urządzenie będzie stosowane do łagodzenia objawów śmiertelnych chorób, takich jak rak mózgu. "W miarę powstawania coraz skuteczniejszych leków konieczne staje się także unowocześnienie sposobów ich podawania" - mówi John Santini, szef MicroChips Inc. Zanim zwykła pigułka trafi do krwiobiegu, a następnie miejsca dotkniętego chorobą, musi przejść przez układ pokarmowy. Z kolei zastrzyki są bolesne i trudne do zaaplikowania. Poza tym pacjenci muszą pamiętać o regularnym przyjmowaniu lekarstwa. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) rozważa możliwość dopuszczenia do sprzedaży Leuprogelu - leku na raka prostaty. Żel po wstrzyknięciu pod skórę twardnieje, a później stopniowo się rozkłada, uwalniając dawki medykamentu. Proces ten trwa trzy miesiące.
W wypadku chemoterapii silne toksyczne leki nie zwalczają wyłącznie komórek rakowych. Kuracja ta powoduje poważne efekty uboczne, takie jak wypadanie włosów, utrata apetytu czy podatność na infekcje. Medycyna próbuje przezwyciężyć takie wady leczenia, dążąc do tego, by preparat był dostarczany dokładnie w miejsce, gdzie jest potrzebny. Co więcej, naukowcy idą krok dalej - chcą przenieść produkcję leku do wnętrza organizmu.
Własna fabryka leków
Do tej pory cukrzycy skazani byli na kłopotliwe zastrzyki z insuliny. Świadomi tej niedogodności inżynierowie zaprojektowali injex - urządzenie umożliwiające aplikowanie insuliny bez igły (niedawno FDA zezwoliła na jego sprzedaż). Prawdziwą rewolucję w leczeniu cukrzycy spowoduje jednak nanotechnologia. Tejal Desai z University of Illinois wraz z zespołem naukowców opracowała implant wspomagający produkcję insuliny i wprowadzenie jej do krwiobiegu. Krzemowa "klatka" ma jedną dziesiątą milimetra i zawiera komórki pobrane z trzustki zwierzęcej. Molekuły glukozy są małe, dlatego przedostają się do wnętrza urządzenia. Gdy zostaną wykryte, komórki uwięzione w klatce rozpoczynają wytwarzanie insuliny. Antyciała są z kolei za duże, aby przeniknąć do środka, dlatego zwierzęce komórki nie zostają rozpoznane, a implant - odrzucony.
"Ponieważ możemy oddziaływać na poszczególne komórki, powinniśmy wykorzystać ich nieprawdopodobne możliwości i sprawić, by były fabrykami farmaceutyków" - twierdzi Milan Mrksich, chemik z University of Chicago, który pracuje nad stymulowaniem prądem reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Mrksich ma nadzieję, że w efekcie takiej stymulacji organizm będzie mógł wytwarzać leki, a także substancje, których mu w danym momencie brakuje.
Wizje i rzeczywistość
"Biologia to nic innego jak molekularna maszyneria stworzona przez ewolucję" - napisał Eric Drexler z Massachusetts Institute of Technology w książce "Engines of Creation". "Przyszłością medycyny będą miniaturowe maszyny naprawiające błędy w DNA. Dzięki nim starzenie się i śmierć przestaną być problemem". Drexler utrzymuje wprawdzie, że jego pomysły są bliskie realizacji, lecz wielu naukowców traktuje je jak fantazje. - Na razie nanomechaniczne rozwiązania, jakie wykorzystaliśmy w naszym silniku, pozostają w sferze prób. Powszechnie stosowane będą dopiero mniej więcej za dziesięć lat - ocenia Schmidt. Obecnie działa zaledwie do 4 proc. molekularnych silników.
W zeszłym roku Europa, Japonia i USA przeznaczyły na rozwój nanomedycyny 624 mln dolarów, czyli o 80 proc. więcej niż cztery lata wcześniej. "Jeśli zmiany będą następować w takim tempie, fikcja może się stać rzeczywistością już za dziesięć lat" - mówi Gary Sayler, mikrobiolog z University of Tennessee.
Więcej możesz przeczytać w 44/2001 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.