Nanostrojevi, ubojice stanica i kuriri za lijekove

Dva su ozbiljna problema s kojima se susreće suvremena medicina - rezistencija na antibiotike i precizno ciljanje tumorskih stanica. Nanostrojevi otvaraju put prema rješavanju tih problema. Nanobušilicama, koje se vrte 2-3 milijuna puta u sekundi, uništene su stanice raka prostate

Istraživači iz sveučilišta Rice u Teksasu ovaj su tjedan u Natureu objavili rad naslova Molecular machines open cell membranes (Molekularni strojevi koji otvaraju stanične membrane)[i]. Grupa Jamesa Toura i Roberta Pala u tom je radu predstavila nanobušilice koje se vrte 2-3 milijuna puta u sekundi, a pogonjene su UV zračenjem. Tako brza rotacija može probušiti staničnu membranu i uzrokovati smrt stanice kroz svega 60 sekundi. Istraživači su svoje bušilice testirali na in vitro stanicama raka prostate, koje su uspješno uništene.

Slika 1 (lijevo) i slika 2 (uspravno) prikazuju (1): vrlo brza rotacija (3-2 MHz) molekule bušilice može se potaknuti UV zračenjem; a (2): Istjecanje citoplazme iz probušene stanice, koja je prethodno obilježena zelenim fluorescentnim proteinom.

Nanostojevi, odnosno molekule koje potaknute nekim podražajem ili gorivom (promjena pH, prisustvo nekih molekula ili svjetlost određene valne duljine) mijenjaju svoju konfiguraciju (otvaraju se ili zatvaraju, rotiraju svoje propelere ili „hodaju“ po površini) već su neko vrijeme vruća tema u kemiji. Tome svjedoči i prošlogodišnja Nobelova nagrada iz kemije, koja je dodijeljena za dizajn i sintezu molekularnih strojeva.

Jedan od dobitnika, Bernard Feringa (na naslovnoj slici) je prije četrdeset godina krenuo sa sintezama zakočenih spojeva i jednostavnih molekularnih prekidača, što nas je danas dovelo do molekularnih auta i „pametnih“ lijekova, koji se aktiviraju tek kad dođu do mjesta gdje trebaju djelovati.

Slika 3. Razvoj nanstrojeva, preuzet iz predavanja Bernarda Feringe održanog prilikom dodjele Nobelove nagrade.[iii]

Takvi ciljani sustavi za isporuku lijeka (targeted drug delivery systems), bazirani na nanostrojevima, pokazuju ogroman potencijal za rješavanje dva ozbiljna problema s kojima se suočava moderna medicina – rezistencije na antibiotike i preciznog ciljanja tumorskih stanica. Za sprječavanje porasta bakterijske rezistencije osobito je važno minimizirati otpuštanje antibiotika u okoliš, odnosno dizajnirati antibiotike koji će biti aktivni u vrlo kratkom vremenskom periodu. Feringina grupa tako je napravila fotoosjetljivi antibiotik[ii], koji pomoću svjetlosti privremeno aktivira, da bi kroz nekoliko sati ponovo postao neaktivan i na taj način spriječio bakterije iz okoliša da razvijaju rezistenciju na njega.

Što se tiče tumorskih stanica, razlikujemo aktivno i pasivno ciljanje. Pasivno ciljanje najčešće se temelji se EPR (enhanced permeation and retention) efektu, odnosno opažanju da se molekule određenih oblika i veličina više zadržavaju u tumorskim stanicama. Za iskorištavanje EPR efekta, djelatnim molekulama mogu se dati „vodiči“ koji će ih dovesti do cilja. S druge strane, aktivno ciljanje temelji se na uvođenju „senzora“ koji se selektivno vežu za tumorske stanice, a njihov konkretan oblik ovisi o vrsti bolesti. U slučaju nanobušilica, istraživači su predvidjeli i mjesta na koja se takvi senzori mogu uvesti kako bi spriječili napad na zdrave stanice. Ipak, njihova primjena još je daleko od kliničke obzirom na činjenicu da gorivo potrebno za bušenje (UV svjetlost) ne prodire kroz kožu.

U nastavku također možete pogledati video u kojem istraživači sa sveučilišta Rice predstavljaju nano-strojeve

[i] https://www.nature.com/nature/journal/v548/n7669/full/nature23657.html

[ii] http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n11/full/nchem.1750.html

[iii] Cijelo predavanje može se pogledati na: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/feringa-lecture-slides.pdf