Τα πεδία της νανοεπιστήμης και νανοτεχνολογίας παρέχουν τη δυνατότητα κατανόησης νέων φαινομένων και ανάδειξης νέων ιδιοτήτων των υλικών, έτσι ώστε να γίνει δυνατή η χρήση τους για  την ανάπτυξη νέων φαρμακευτικών και διαγνωστικών προϊόντων. Στο άρθρο αυτό περιγράφονται συστήματα μεταφοράς φαρμακομορίων, καθώς και νανοσυστήματα για διάγνωση των νόσων και απεικόνιση πασχόντων ιστών και οργάνων.

Κωνσταντίνος Ν. Δεμέτζος

Αν. Καθηγητής

Τομέας Φαρμ. Τεχνολογίας                                                                                

Πρόεδρος

Ελληνικής Φαρμακευτικής Εταιρείας (Ε.Φ.Ε)

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Τα πεδία της νανοεπιστήμης και νανοτεχνολογίας παρέχουν τη δυνατότητα κατανόησης νέων φαινομένων και ανάδειξης νέων ιδιοτήτων των υλικών, έτσι ώστε να γίνει δυνατή η χρήση τους για  την ανάπτυξη νέων φαρμακευτικών και διαγνωστικών προϊόντων. Στο άρθρο αυτό περιγράφονται συστήματα μεταφοράς φαρμακομορίων, καθώς και νανοσυστήματα για διάγνωση των νόσων και απεικόνιση πασχόντων ιστών και οργάνων.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η νανοτεχνολογία είναι ο κλάδος της τεχνολογίας που ασχολείται με την εφαρμογή των αρχών και νόμων της νανοεπιστήμης με μεγάλο αριθμό εφαρμογών. Η έρευνα σήμερα φαίνεται ότι σε μεγάλο βαθμό έχει στραφεί στη βελτίωση της δράσης ήδη γνωστών φαρμακομορίων μέσω της χρήσης νέων φαρμακοτεχνικών μορφών, ενώ δεν έχουν εγκαταλειφθεί και οι προσπάθειες της επιστημονικής κοινότητας για την ανακάλυψη νέων φυσικών προϊόντων με βιολογική δράση αλλά και της σύνθεσης νέων φαρμακομορίων με θεραπευτικό ενδιαφέρον.

Οι εξελίξεις της τεχνολογίας αλλά και των βιολογικών επιστημών τις τελευταίες δεκαετίες, επηρεάζουν άμεσα τον τομέα της υγείας, την Έρευνα και τις ερευνητικές κατευθύνσεις, καθώς και τις επιλογές της Φαρμακευτικής Βιομηχανίας και των   Εταιρειών Βιοτεχνολογίας.

Ο τομέας της Νανοτεχνολογίας αφορά στην ανάπτυξη και χρήση υλικών με τα οποία μπορούν να παρασκευασθούν συσκευές και προϊόντα τα οποία να έχουν διαστάσεις της τάξης του δισεκατομυριοστού του μέτρου, δηλ. δομές οι οποίες δεν υπακούουν στους νόμους της κλασσικής μηχανικής, αλλά ούτε και της κβαντομηχανικής, δομές με τις οποίες αγγίζουμε τα όρια του κόσμου που ζούμε. Τα νανοσωματίδια και τα νανο-υλικά παρουσιάζουν νέεες ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθός τους. Ο όρος νανοτεχνολογία χρησιμοποιείται εδώ ως περιληπτικός όρος, και καλύπτει τους διαφόρους κλάδους νανοεπιστηµών και νανοτεχνολογιών. Η νανοτεχνολογία αναφέρεται στην επιστήμη και τεχνολογία που αναπτύσσονται σε κλίμακα ατόμων και µορίων (νανοκλίµακα), καθώς και σε επιστημονικές αρχές και νέες ιδιότητες που μπορούμε να κατανοήσουμε και να γνωρίσουμε σε βάθος εργαζόµενοι σε αυτό το πεδίο. Τέτοιες ιδιότητες µπορούµε στη συνέχεια να τις παρατηρούμε και να τις εκµεταλλευόµαστε σε µικροκλίµακα ή µακροκλίµακα για την ανάπτυξη π.χ. υλικών και εφευρέσεων µε νεωτεριστικές λειτουργίες και επιδόσεις . 

Σήμερα το πρόθεμα νανο- έχει αποκτήσει εξαιρετική σημασία, και οι περισσότερες επιστήμες κάνουν στροφή των ερευνητικών τους δραστηριοτήτων και αναπτύσσουν έντονη δραστηριότητα στον τομέα της νανοτεχνολογίας.

Οι Φαρμακευτικές επιστήμες στα πλαίσια του τεχνολογικών εξελίξεων, είναι σαφές ότι έχουν τεράστιο ενδιαφέρον για την αξιοποίηση των προϊόντων νανοτεχνολογίας, αλλά και την κατανόηση της συμπεριφοράς των νέων υλικών.

1.  ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ  ΚΑΙ  ΦΑΡΜΑΚΑ

Η νανοτεχνολογία εφαρμόζει τις αρχές την μηχανολογίας, της ηλεκτρονικής και της επιστήμης των υλικών σε κατασκευές μεγέθους νανοκλίμακας. Τα νανο-υλικά μπορεί να είναι μία συσκευή ή ένα σύστημα, υπερμοριακές δομές, σύμπλοκα ή σύνθετα υλικά.

Σε επίπεδο νανοκλίμακας, οι φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες των υλικών έχουν θεμελιακές διαφορές και παρουσιάζουν απρόσμενες ιδιότητες σε σχέση με το αρχικό υλικό, επειδή οι κβαντομηχανικές αλληλεπιδράσεις σε επίπεδο ατόμων επηρεάζονται από τις διακυμάνσεις του υλικού σε επίπεδο νανοκλίμακας.

Οι νανοσυσκευές έχουν την ίδια τάξη μεγέθους με τις βιολογικές οντότητες. Νανοσυσκευές, με διαστάσεις μικρότερες των 100 nm, είναι μικρότερες από το ανθρώπινο κύτταρο (με διαμέτρους 10.000 έως 20.000 nm) και τα οργανίδια και συγκρίσιμα σε μέγεθος με τα βιομόρια όπως τα ένζυμα και οι υποδοχείς. Για παράδειγμα η αιμοσφαιρίνη έχει μέγεθος διάμετρο περίπου 5 nm, ενώ η λιπιδική μεμβράνη του κυττάρου έχει πάχος περίπου 6 nm. Νανοσυσκευές, μικρότερες των 50 nm μπορούν εύκολα να εισέλθουν στα περισσότερα κύτταρα, ενώ αυτές που είναι μικρότερες από 20 nm μπορούν να διαπεράσουν τα αιμοφόρα αγγεία, καθιστώντας έτσι τις νανοσυσκευές ικανές να διαπερνούν βιολογικούς φραγμούς, όπως ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός και το επιθήλιο του στομάχου, που εμποδίζουν τα φάρμακα και τις σκιαγραφικές ουσίες να φθάνουν σε κάποιους όγκους.

Λόγω του μικρού τους μεγέθους οι νανοσυσκευές μπορούν να αλληλεπιδρούν με βιομόρια που βρίσκονται και στις δύο πλευρές της κυτταρικής μεμβράνης, όσο και εντός του κυττάρου, συχνά με τρόπο που δεν επηρεάζει τη συμπεριφορά και τις βιοχημικές ιδιότητες αυτών των μορίων.

Η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, της ηλεκτρονικής και της ρομποτικής αναμένεται να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε βιο-ιατρικές εφαρμογές, όπως η γονιδιακή θεραπεία, η χορήγηση φαρμάκων, η απεικόνιση και οι τεχνικές ανακάλυψης νέων φαρμάκων. Ειδικότερα, η νανοτεχνολογία παρέχει τη δυνατότητα μελέτης και αλληλεπίδρασης τόσο με το υγιές, όσο και με το καρκινικό κύτταρο σε πραγματικό χρόνο, σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο στα πρώιμα στάδια της καρκινογένεσης.

Για τη φαρμακευτική βιομηχανία οι νέες τεχνολογίες μεταφοράς φαρμάκων αποτελούν στρατηγικό εργαλείο για την ανάπτυξη της αγοράς των φαρμάκων. Η τεχνολογία μπορεί να προσφέρει νέες λύσεις για ήδη υπάρχοντα φάρμακα, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητά τους βελτιώνοντας την ασφάλειά τους και την ανοχή τους από τους ασθενείς. Επιπρόσθετα τα νέα φάρμακα που αναπτύσσονται με τη βοήθεια της υπολογιστικής χημείας, χρησιμοποιώντας τις γνώσεις από το πρόγραμμα αποκρυπτογράφησης του ανθρώπινου γονιδιώματος, για να είναι αποτελεσματικά χρειάζονται συστήματα χορήγησης και μεταφοράς. Η νανοτεχνολογία παρέχει τη δυνατότητα χορήγησης φαρμάκων που είναι πρακτικά αδιάλυτα στο νερό ή ασταθή στο βιολογικό περιβάλλον.

Νανοτεχνολογία και καρκίνος

Ο καρκίνος είναι γνωστό ότι αποτελεί μία από τις κύριες αιτίες θανάτου στον ανεπτυγμένο κόσμο, παρ’ όλη την πρόοδο που έχει γίνει τις τελευταίες δεκαετίες στην κατανόηση των μηχανισμών της καρκινογέννεσης, αλλά και στις νέες μεθόδους για την διάγνωση και την θεραπευτική προσέγγιση.

Τα γνωστά αντικαρκινικά φάρμακα  όπως τα διμερή αλκαλοειδή του ινδολίου, η καμπτοθεκίνη, τα παράγωγα των λιγνανίων και οι ταξάνες αλλά και πολλά ακόμα, αποτελούν το σύγχρονο οπλοστάσιο στη καταπολέμηση του καρκίνου. Το ερώτημα είναι γιατί οι υπάρχουσες θεραπείες δεν είναι τόσο αποτελεσματικές και τις περισσότερες φορές αποτυγχάνουν; Γιατί δεν μπορούμε να βελτιώσουμε η να εξαλείψουμε την μεγάλη τοξικότητα των φαρμάκων αυτών ώστε να αποφύγουμε τις τοξικές τους παρενέργειες; Πως θα μπορούσαμε να έχουμε μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα αφού οι ανακαλύψεις στο τομέα την μοριακής προσέγγισης του καρκίνου έχουν διαπιστώσει στα καρκινικά κύτταρα την έκφραση γονιδίων που οδηγούν στην παραγωγή εξειδικευμένων πρωτεϊνών; Το ερώτημα είναι γιατί οι υπάρχουσες θεραπείες δεν είναι τόσο αποτελεσματικές με πολλές ανεπιθύμητες ενέργειες των φαρμάκων?

Οι λόγοι είναι τρεις.

α) Όταν γίνει η διάγνωση, ο όγκος είναι ήδη αρκετά αναπτυγμένος. Ενας όγκος μεγέθους 1 cm³ (ο μικρότερος κλινικά ανιχνεύσιμος όγκος) περιέχει περίπου ένα δισεκατομμύριο κύτταρα. Για να επιτευχθεί πλήρης θεραπεία πρέπει να καταστραφούν όλα τα κύτταρα. Ακόμα όμως και με την αφαίρεση του 99,9% αυτών των κυττάρων θα παραμείνει ένα εκατομμύριο ζώντων κυττάρων.

β) Σε 50% των ασθενών η χειρουργική αφαίρεση του όγκου δεν οδηγεί σε ίαση λόγω των μεταστάσεων, διαδικασίας κατά την οποία τα μεταλλαγμένα κύτταρα εξαπλώνονται από την πρωταρχική τους θέση μέσω της κυκλοφορίας και εγκαθίστανται σε νέες θέσεις, όπως το ήπαρ και οι πνεύμονες. Συχνά οι μεταστάσεις δεν είναι ανιχνεύσιμες λόγω του μικρού μεγέθους τους (διάμετρος < 5 mm) και μπορούν να παραμείνουν ανενεργές για πολλά χρόνια μετά την αφαίρεση του πρωτογενούς όγκου.

γ) Το τρίτο και μεγαλύτερο εμπόδιο για την επιτυχή θεραπεία είναι η ανομοιογένεια της σύστασης των όγκων. Ο ίδιος όγκος περιέχει κύτταρα με διαφορετικά γενετικά, βιοχημικά, ανοσολογικά και βιολογικά χαρακτηριστικά. Τα κύτταρα μπορεί να διαφέρουν ως προς του υποδοχείς της κυτταρικής επιφάνειας, τα ένζυμα, τον καρυότυπο, τη μορφολογία, το χρόνο ανακύκλωσης, την ευαισθησία τους σε διάφορους θεραπευτικούς παράγοντες και τη δυνατότητα μετάστασης. Αυτή η ανομοιογένεια μειώνει τις πιθανότητες τόσο στη χειρουργική όσο και στη φαρμακευτική θεραπεία να επιτύχουν την καταστροφή όλων των κυττάρων του όγκου.

Εκτός των παραπάνω, ιδιαίτερα στους όγκους του ορθού, των νεφρών και των επινεφριδίων υπερεκφrάζεται το γονίδιο της p-γλυκοπρωτεΐνης (mdr-1) με αποτέλεσμα ο όγκος να αποκτά ανθεκτικότητα στα φάρμακα. Η ανθεκτικότητα στα φάρμακα οφείλεται στην mdr-1 γλυκοπρωτεΐνη που εκκρίνει τα κυτταροτοξικά φάρμακα από το κύτταρο μέσω της ΑΤΡάσης. Πιστεύεται επίσης ότι η πυκνή δομή των καρκινικών κυττάρων είναι ένα ακόμη εμπόδιο για την κίνηση των αντικαρκινικών φαρμάκων από το αίμα προς το μεσοδιάστημα (το περιβάλλον) του όγκου. Οι συμπαγείς όγκοι δεν διαθέτουν αποτελεσματικό λεμφικό σύστημα με αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσης στο διάμεσο του όγκου. Πιστεύεται ότι η αυξημένη διάμεση πίεση σε συνδυασμό με τη γρήγορη και ανώμαλη αύξηση των κυττάρων του όγκου ευθύνονται για τη συμπίεση και τον αποκλεισμό των αιμοφόρων αγγείων των όγκων .

Το φάρμακο, μετά την εισαγωγή του στον οργανισμό δεν συσσωρεύεται επιλεκτικά στον πάσχοντα ιστό, αλλά κατανέμεται σε διάφορα όργανα και ιστούς (ανάλογα με τη φύση του φαρμάκου και την οδό χορήγησης). Εκτός αυτού, το φάρμακο για να φθάσει στο στόχο του (όργανο, ιστό) πρέπει να διέλθει μέσω πολλών βιολογικών φραγμών, όπως, άλλα όργανα, κυτταρικές μεμβράνες και ενδοκυττάρια διαμερίσματα, όπου μπορεί να απενεργοποιηθεί ή να εκδηλώσει ανεπιθύμητες δράσεις σε όργανα και ιστούς που δεν εμπλέκονται στην παθολογική διεργασία.

Έτσι, για να επιτύχουμε την απαιτούμενη θεραπευτική συγκέντρωση του φαρμάκου σε κάποια περιοχή του οργανισμού, πρέπει να εισάγουμε μεγάλη ποσότητα, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας χάνεται στους υγιείς ιστούς. Επιπρόσθετα τα κυτταροτοξικά φάρμακα προκαλούν πολλές παρενέργειες, καθώς δεν μπορούν να διακρίνουν τα υγιή από τα ασθενή κύτταρα  (π.χ. το ευρέως χρησιμοποιούμενο αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουβικίνη είναι καρδιοτοξικό).

Τις τελευταίες δεκαετίες καταβάλλονται προσπάθειες για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων μέσω της στόχευσης. Σε γενικές γραμμές ως στόχευση φαρμάκου μπορεί να οριστεί η ικανότητα του φαρμάκου να συσσωρεύεται στο όργανο-στόχο ή στον ιστό-στόχο επιλεκτικά και ποσοτικά, ανεξάρτητα από την οδό και τη μέθοδο χορήγησης. Θα πρέπει δηλαδή η τοπική συγκέντρωση του φαρμάκου να είναι μεγάλη στη θέση της πάθησης, ενώ η συγκέντρωση του στα υπόλοιπα όργανα και ιστούς θα πρέπει να μην υπερβαίνει ένα ορισμένο επίπεδο, ώστε να μην προκαλεί παρενέργειες.

Υπάρχουν ήδη αρκετά συνθετικά νανοσωματίδια (λιποσώματα, νανοκάψουλες, νανοσφαιρίδια) (Εικόνα 1) που μπορούν να στοχεύσουν τα καρκινικά κύτταρα, να εισέλθουν σε αυτά και να απελευθερώσουν θεραπευτικές ουσίες.

Λιποσώματα

Τα λιποσώματα περιγράφτηκαν για πρώτη φορά από τον Alec Bangham το 1965, όταν με απλή ανακίνηση φωσφολιπιδίων μέσα σε νερό παρασκεύασε μια διασπορά – τα λιποσώματα. Τις τελευταίες δεκαετίες τα λιποσώματα είναι ένα από τα περισσότερο υποσχόμενα συστήματα μεταφοράς και στόχευσης φαρμάκων και η λιποσωμιακή τεχνολογία αποτελεί δυναμικά αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας, ενώ οι επιστημονικές δημοσιεύσεις στον τομέα αυτό ανέρχονται σε εκατοντάδες κάθε χρόνο.

Τα λιποσώματα  είναι κλειστές σφαιρικές δομές που αποτελούνται από μία ή περισσότερες λιπιδικές διπλοστοιβάδες που στο εσωτερικό τους δεσμεύουν διαλύτη. Οι λιπιδικές διπλοστοιβάδες με τη σειρά τους αποτελούνται από φωσφολιπίδια και χοληστερόλη. Τα φωσφολιπίδια λόγω του αμφίφιλου χαρακτήρα τους σε υδατικό περιβάλλον διατάσσονται κατά τρόπο ώστε οι πολικές κεφαλές τους προσανατολίζονται προς το υδατικό μέσο, ενώ οι λιπόφιλες υδατανθρακικές αλυσίδες τους τείνουν να «προστατευτούν» από το νερό. Παράλληλα στην επιφάνεια των λιποσωμάτων μπορούν να συνδεθούν  αντισώματα ή άλλα μόρια που τροποποιούν τις ιδότητές τους (π.χ. τους προσδίδουν αρνητικό ή θετικό φορτίο). Σήμερα τα λιποσώματα θεωρούνται ως νανοσωματίδια πρώτης γενιάς.

Πλεονεκτήματα των λιποσωμάτων

Τα λιποσώματα, έχουν την ικανότητα να μεταφέρουν ένα ευρύ φάσμα βιοδραστικών ουσιών και διαθέτουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

Α) Προσανατολισμός-στόχευση

Β) Eλεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκου

Γ) Προστασία εγκλωβισμένου φαρμάκου.

Δ) Διευκόλυνση εισόδου ουσιών στα κύτταρα.

Σήμερα κυκλοφορούν λιποσωμιακά σκευάσματα στο εμπόριο, τόσο για θεραπευτικούς, όσο και για κοσμητολογικούς σκοπούς.

Τα λιποσώματα λόγω της διπλής τους φύσης (λιπόφιλη διπλοστοιβάδα, υδρόφιλο εσωτερικό) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φορείς τόσο λιπόφιλων όσο και υδρόφιλων ουσιών. Ανάλογα με τη φύση τους οι διάφορες ουσίες μπορούν να τοποθετηθούν στη λιπιδική διπλοστοιβάδα ή στο υδρόφιλο εσωτερικό του λιποσώματος. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε ενσωμάτωση της ουσίας στο λιπόσωμα, ενώ στη δεύτερη εγκλωβισμό (Εικόνα 2).

Κεραμικά (ανόργανα) νανοσωματίδια

Τα πλεονεκτήματα των κεραμικών νανοσωματιδίων είναι η απλή διαδικασία παρασκευής τους σε ήπιες συνθήκες, με το επιθυμητό μέγεθος, σχήμα και πορώδες. Το πολύ μικρό μέγεθός τους (λιγότερο από 50 nm) τους δίνει τη δυνατότητα να ξεφεύγουν από το δικτυο-ενδοθηλιακό σύστημα  (RES), ενώ δεν επηρεάζονται από τις αλλαγές του pH. Σωματίδια από πυρίτιο, αργίλια, τιτάνιο κ.α. έχουν βιοσυμβατότητα. Εκτός αυτού στην επιφάνειά τους εύκολα μπορούν να συνδεθούν μονοκλωνικά αντισώματα, ή άλλα μόρια για στόχευση in vivo.

Πολυμερικά μικκύλια

Πρόσφατα δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στα αμφίφιλα συμπολυμερή, τα οποία σε υδατικά διαλύματα αυτοοργανώνονται και σχηματίζουν μικκύλια Τα πολυμερικά μικκύλια παρουσιάζουν πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μικκυλίων που σχηματίζονται από επιφανειοδραστικές ουσίες, επειδή έχουν καλύτερη θερμοδυναμική σταθερότητα σε βιολογικά διαλύματα, με αποτέλεσμα και να μη διασπώνται τόσο γρήγορα in vitro. Τα πολυμερικά μικκύλια έχουν μέγεθος νανομέτρων, αποτελούνται από υδρόφοβο πυρήνα (στον οποίο μπορούν να δεσμευτούν λιπόφιλα μόρια) και υδρόφιλα τμήματα που βοηθούν στο σχηματισμό σταθερής διασποράς στο νερό.

Η κατανομή τους στον οργανισμό εξαρτάται κυρίως από τις ιδιότητες της επιφάνειάς τους. Τα πολυμερικά μικκύλια λόγω του μικρού τους μεγέθους (< 100 nm) δεν αναγνωρίζονται από το δικτυοενδοθηλικαό σύστημα (RES) και μπορούν να συσσωρεύονται στο περιβάλλον του όγκου με παθητική διάχυση. Στα πολυμερικά μικκύλια μπορούν να συνδεθούν αντισώματα και να παρασκευαστούν ανοσομικκύλια που παρουσιάζουν εκλεκτικότητα.

Δενδριμερή

Τα δενδριμερή, που συντέθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, αποτελούνται από μακριές αλυσίδες που συνδέονται με έναν κεντρικό πυρήνα (Εικόνα 1).

Τα δενδριμερή δομούνται γύρω από ένα κεντρικό πυρήνα και αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες δομικές μονάδες. Αποτελούν ελκυστικά συστήματα μεταφοράς λόγω του μικρού μεγέθους τους, της ευκολίας παρασκευής τους και της ικανότητάς τους να φέρουν στην επιφάνειά τους πολλές λειτουργικές ομάδες. Η αλληλεπίδραση των δενδριμερών με το βιολογικό περιβάλλον καθορίζεται κυρίως από το είδος των τελικών ομάδων. Τα δενδριμερή έχουν μοναδικές ιδιότητες λόγω του σφαιρικού σχήματός τους και της παρουσίας εσωτερικών κοιλοτήτων. Οι βιοδραστικές ουσίες μπορούν να εγκλωβιστούν στις εσωτερικές κοιλότητες του δενδριμερούς, ή να συνδεθούν στις επιφανειακές ομάδες.

Νανοκελύφη

Τα νανοκελύφη (Εικόνα 3), νανοσωματίδια χρυσού ή αργύρου με πυρήνα από σιλικόνη, που φέρουν αντισώματα, μπορούν να συνδεθούν με καρκινικά κύτταρα in vivo. Μετά τη σύνδεσή τους με το κύτταρο-στόχο υπάρχει η δυνατότητα να μετατραπούν σε ""θερμικά νυστέρια"". Με την εφαρμογή εξωτερικής υπέρυθρης ακτινοβολίας τα νανοκελύφη απορροφούν ενέργεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του νανοκελύφους και τη θανάτωση του καρκινικού κυττάρου χωρίς να προκαλείται βλάβη στα γειτονικά υγιή κύτταρα .

2. Νανοτεχνολογία και μοριακή απεικόνιση-Διαγνωστική

Οι νανοδομές έχουν σαν στόχο τον εντοπισμό βιολογικών δεικτών που είναι υπεύθυνοι για μια ασθένεια. Είναι γνωστό ότι ο καρκίνος, τα καρκινικά κύτταρα, διαφοροποιούνται από τα φυσιολογικά όχι μόνο στο επίπεδο της μορφολογίας αλλά και στο επίπεδο της παραγωγής πρωτεϊνών (βιολογικών δεικτών) σαν αποτέλεσμα έκφρασης συγκεκριμένων γονιδίων.  Η αναγνώριση τους είναι ευθύνη των βιολογικών επιστημών, ενώ η προσέγγιση και η παρέμβαση στη λειτουργία τους αφορά τον τομέα των Φαρμακευτικών επιστημών με την ανακάλυψη νέων φαρμακομορίων αλλά και φορέων –συσκευών που εκλεκτικά θα μεταφέρουν το φάρμακο στα εξαλλαγμένα καρκινικά κύτταρα .

Νανοκρύσταλλοι

Οι νανοκρύσταλλοι (κβαντικές κουκκίδες) σχηματίζονται από μερικές εκατοντάδες άτομα, καλυμμένα με ένα μονωτικό υλικό. Συνήθως αποτελούνται από άτομα των ομάδων ΙΙ-VI ή III-V του περιοδικού συστήματος και έχουν διαστάσεις μικρότερες από την ακτίνα διέγερσης Bohr. Οι νανοκρύσταλλοι (Εικόνα 4) απορροφούν φως σε ευρύ φάσμα μηκών κύματος, αλλά εκπέμπουν μονοχρωματικό φως σε μήκος κύματος που εξαρτάται από το μέγεθος του κρυστάλλου. Μπορούν να κατασκευαστούν νανοκρύσταλλοι που να εκπέμπουν φως σε μήκη κύματος από το υπέρυθρο έως το υπεριώδες .Οι νανοκρύσταλλοι μπορούν να συνδεθούν σε κύτταρα, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός είναι αρκετή, ώστε να μπορούμε να παρατηρήσουμε ένα κύτταρο που φέρει ένα μόνο νανοκρύσταλλο. Επειδή οι νανοκρύσταλλοι είναι ανόργανοι, είναι πολύ σταθεροί, ενώ η επικάλυψή τους με αδρανές υλικό τους καθιστά λιγότερο τοξικούς από τις οργανικές χρωστικές. Οι νανοκρύσταλλοι μπορούν να συνδεθούν με αντισώματα που αντιστοιχούν κάποιο είδος καρκίνου. Μετά την εισαγωγή τους στον οργανισμό τα αντισώματα που είναι συνδεδεμένα με το νανοκρύσταλλο εντοπίζουν το αντιγόνο – στόχο και συνδέονται με αυτό. Στη συνέχεια ακτινοβολούνται και εκπέμπουν φως, επιτρέποντας έτσι την ανίχνευση του καρκινικού όγκου.

Αιωρούμενες νανοδοκοί

Μια άλλη νανοσυσκευή ανίχνευσης καρκινικών όγκων αποτελείται από αιωρούμενες στο ένα άκρο δοκούς, οι οποίες φέρουν αντισώματα (Εικόνα 5). Όταν οι πρωτεΐνες που εκλύουν τα καρκινικά κύτταρα συνδεθούν με τα αντισώματα, οι δοκοί κάμπτονται ελαφρά. Η μικρή αυτή απόκλιση μπορεί να ανιχνευτεί και να μας δώσει πληροφορίες για την ύπαρξη και τον τύπο του καρκίνου.

Νανοκαλώδια, πάχους 1-2 μικρόμετρων, τοποθετημένα σε κατάλληλο υπόστρωμα, μπορούν να καλυφτούν με μονοκλωνικά αντισώματα εναντίων διαφόρων καρκινικών δεικτών, με αποτέλεσμα αύξηση της ευαισθησία περίπου εκατό φορές σε σχέση με τις υπάρχουσες διαγνωστικές τεχνικές και με χρήση ελάχιστης ποσότητας δείγματος (Εικόνα 6). 

Μαγνητικά νανοσωματίδια

Τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να συνδεθούν με αντισώματα και να εισαχθούν στον οργανισμό. Αφού εντοπίσουν το αντιγόνο – στόχο και συνδεθούν με αυτό, εφαρμόζεται εξωτερικά μαγνητικό πεδίο. Τα νανοσωματίδια που δεν είναι συνδεδεμένοι με το αντιγόνο - στόχο περιστρέφονται ελεύθερα και το συνολικό μαγνητικό τους πεδίο είναι μηδέν. Αντίθετα τα νανοσωματίδια που είναι συνδεδεμένα με το αντιγόνο – στόχο δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και δίνουν μετρήσιμη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου. Με τη χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων με διαφορετικά αντισώματα μπορούν να ανιχνευτούν πολλές ασθένειες ταυτόχρονα. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια βελτιώνουν δραματικά τη δυνατότητα ανίχνευσης στους λεμφαδένες  μεταστατικών βλαβών που οφείλονται σε καρκίνο του μαστού και του προστάτη.

H Νανοτεχνολογία όπως και παραπάνω δείξαμε αποτελεί σήμερα την πρόκληση και ο επιστημονικός κόσμος του τομέα της Υγείας μπορούμε να ισχυρισθούμε ότι περιμένει πολλά και έχει εναποθέσει πολλές ελπίδες στη ανακάλυψη νέων φαρμάκων, ασφαλών και αποτελεσματικών. Στη διεθνή βιβλιογραφία αλλά και στους διαδυκτιακούς τόπους που αφορούν στην έρευνα αλλά και στην εφαρμογή νέων προιόντων υγείας γίνεται φανερό ότι η νανοτεχνολογία αποτελεί την πιο προκλητική τεχνολογία του 21 ου αιώνα.

Ευχαριστίες

Εκφράζω τις ευχαριστίες μου στον Χημικό Α. Γεωργόπουλο, συνεργάτη μου στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, για την συμβολή του στην συγκέντρωση του υλικού για την συγγραφή του άρθρου.

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. htpp://ue.eu.int/en/Info/eurocouncil/index.htm

2.  National Cancer Institute Alliance for Nanotechnology in Cancer: http://nano.cancer.gov

National Nanotechnology Initiative: http://www.nano.gov

3. Ferrari Mauro, Cancer Nanotechnology: opportunities and callenges.  Nature Reviews, Cancer 5, 161-171, 2005.

4. Crispin R. Dass and Tao Su,Delivery of lipoplexes for genotherapy of solid tumors: role of vascular  endotelial cells. J. Pharm. Pharmacol. 52, 1301-1317, 2000.

5. OV Salata, Applications of nanoparticles in biology and medicine.

Journal of Nanobiotechnology  2 (3), 1-6, 2004.

6.  L.R. Hirsh, R.J. Stafford, J.A. Bankson, S.R. Sershen, B. Rivera, R.E. Price, J.D. Hazle, N.J. Halas, J.L. West,  Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance. PNAS 100 (23) 13549-13554, 2003

7. Sanjeeb K. Sahoo and Vinod Labhasetwar,  Nanotech approaches to drug delivery and imaging. Drug Discovery Today  24 ( 8), 1112-1120, 2003.

8. M.A. Akerman, W.C.W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, E. Ruoslahti , Nanocrystal targeting in vivo. PNAS  99 (20), 12617-12621, 2

"