Gdy naukowiec Jan Benes konał na stole operacyjnym, lekarze robili wszystko, żeby go ratować. Benes w latach 60. opracował rewolucyjną technikę pomniejszania obiektów, przez co stał się celem dla radzieckiego KGB. Niestety podczas ucieczki przed Rosjanami został ranny w głowę, a w jego mózgu wytworzył się śmiertelnie niebezpieczny skrzep. Jedynym ratunkiem okazało się znalezienie i rozpuszczenie skrzepu – ale od wewnątrz. W tym celu do żył naukowca wprowadzono sterowane przez ludzi miniaturowe wehikuły, które miały skrzep zniszczyć.
Powyższa historia to fragment filmu science fiction „Fantastyczna podróż” z 1966 r. Właśnie przestała być zupełną fikcją; jak donosi międzynarodowa edycja magazynu „Angewandte Chemie”, naukowcom po raz pierwszy w historii udało się wprowadzić do żywych komórek ludzkich sterowane z zewnątrz pojazdy. Dzięki temu pchnęli naprzód nanomedycynę, gałąź nauki związaną z zastosowaniem nanotechnologii do leczenia człowieka. Jak tego dokonali? Dzięki specjalnym mikrosilniczkom napędzanym falami ultradźwiękowymi i sterowanym magnetycznie. Takie silniczki mogą samodzielnie się przemieszczać w żywej komórce, przy tym jej nie szkodząc. – Każdy silnik wymaga dostarczania mu energii – mówi prof. Tom Mallouk, biochemik z amerykańskiego Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii i szef zespołu badawczego. – Dotychczasowe silniczki wykorzystywane w komórkach wymagały niestety toksycznych paliw, a do tego nie mogły się poruszać w płynach biologicznych. Dlatego nie dało się ich używać w komórkach ludzkich.
Zderzanie resoraków
Całe szczęście silnik niejedno ma imię. Silnikiem może być nie tylko obiekt używający toksycznego paliwa, lecz także metalowy patyczek napędzany z zewnątrz falami ultradźwiękowymi. Kilka lat temu dwa zespoły badaczy z USA ogłosiły, że do manipulacji obiektami w komórkach może służyć napęd ultradźwiękowy. Co więcej, taki napęd jest nietoksyczny. A teraz naukowcy z zespołu Mallouka pierwsi stworzyli takie silniczki i okiełznali ich ruch w żywej komórce. Jak wyglądają silniczki? To patyczki ze złota oraz rutenu, które mają wypukłą głowicę oraz nieco wklęsłą końcówkę. – Każdy silnik ma szerokość 300 nanometrów i długość 3 mikrometrów – mówi prof. Mallouk – Dla porównania, włos ma średnicę 50 mikrometrów. Gdyby ustawić kilkanaście patyczków jeden za drugim, dopiero ta długość dałaby średnicę włosa. Jak zatem sterować takimi drobinkami? Kierując na nie źródło ultradźwięków. Wysyłane fale będą przechodzić przez płyn komórkowy i odbijać od metalu, wprawiając patyczki w ruch. – Przy niewielkiej dawce silniczki obracają się w miejscu, a przy większej prą do przodu – tłumaczy Mallouk. – To odpowiednik przycisków „przód” i „tył”. Ale możemy też wpływać na ich ruch, przykładając do komórki z różnych stron magnesy.
Skoro mamy już pojazdy i podstawy sterowania, potrzebna jest arena, na której odbędą się testy rajdowe. Badacze zdecydowali, że areną będą komórki raka szyjki macicy – bardzo odpornego, a w odpowiednich warunkach praktycznie nieśmiertelnego typu komórki. Po umieszczeniu w niej pojazdów patyczków włączyli silniki. Efekt? Obraz, jaki widać pod mikroskopem, to prawdziwy komórkowy rajd. Silniczki obijają się o części komórki niczym pojazdy na autodromie w wesołym miasteczku. – Gdy pukają w organelle, czyli wewnętrzne struktury żywej komórki, wywołują reakcje mechaniczne, których jeszcze nikt przed nami nie zaobserwował – mówi Mallouk. – Jedną z rzeczy, której nie potrafimy zrozumieć, jest to, że reakcja na łaskotanie organelli może się pojawiać w zupełnie innym miejscu komórki: połaskocz komórkę tutaj, a zadrży gdzieś zupełnie indziej.
Było sobie życie
Komórkowe pojazdy tworzą nowe narzędzie dla medycyny. Tak jak kiedyś medycy opukiwali młoteczkiem części ciała pacjenta, tak dziś mogą opukiwać wnętrza komórek. Ale to dopiero początek, bo możliwych zastosowań nowej technologii jest wiele. – Naszym marzeniem jest medycyna rodem z filmu „Fantastyczna podróż” – mówi prof. Mallouk. – Nanowehikuły mogłyby krążyć wewnątrz ciała, wymieniając informacje, diagnozując i lecząc organizm.
Zanim do tego dojdziemy, pierwszym etapem jest użycie silniczków jako narzędzi transportujących substancje chemiczne w określone miejsca komórki. Niczym w bajce edukacyjnej dla dzieci „Było sobie życie” wehikuły dostarczą określony lek, manewrując między mikroskopowymi obiektami w twoim organizmie. Poza tym polepszy się diagnostyka medyczna, bo odpowiednio spreparowane wehikuły będą mogły zbierać informacje o sytuacji w komórce, wykrywając zawczasu początkowe zmiany patologiczne.
Badacze zaobserwowali również, że przy odpowiedniej mocy ultradźwięków patyczki mogą przebijać membrany komórkowe. – To nowa perspektywa dla mikrochirurgii – mówi dr Justyna Zaborowska, biolog molekularna z uniwersytetu w Oksfordzie. – Sterując wehikułami, można by niszczyć pojedyncze molekuły lub pojedyncze składniki komórki – mówi prof. Ryszard Przewłocki, neurobiolog z Polskiej Akademii Nauk.
Szczeliny nanomedycyny
– Co by było, gdybyśmy mogli połknąć chirurga: umieszczasz go we krwi, a on płynie do serca i wszystko sobie ogląda? – pytał w 1959 r. fizyk Richard Feynman. Jego wykład zatytułowany „Tam na dole jest mnóstwo miejsca” opisywał wizję przyszłości, w którym manipulujemy mikroobiektami. Dziś ją realizujemy: osiągnięcie amerykańskich badaczy to niejedyny postęp nanomedycyny w ostatnim czasie. Jak donosi czasopismo „Nanomedicine”, w 2013 r. australijscy naukowcy z firmy EnGeneIC opracowali minibąbelki o wielkości 400 nanometrów, które transportują do komórek leki na raka. Biologiczna membrana bąbelków została spreparowana tak, aby komórki rakowe chciały ją pochłaniać. – Dzięki temu bąbelki uwalniają toksyczne substancje tylko w zmienionych chorobowo komórkach i nie wypadają z cząstek krwi po drodze, a więc nie powodują też przykrych efektów ubocznych – mówi onkolog Benjamin Solomon odpowiedzialny za projekt. Bąbelek wprowadzony do krwi biernie płynie z prądem, a działalność zaczyna w ściśle określonym momencie. Na razie nie można nim sterować manualnie. To się jednak zmieni. – Teraz uczymy się sterować wehikułami mechanicznymi – mówi prof. Przewłocki. – Ale w przyszłości będziemy też w stanie sterować tymi biologicznymi. Nie tylko za pomocą ultradźwięków, fal magnetycznych, ale na przykład światła. Możliwości są przeogromne, a nowe techniki manipulacji to tylko kwestia czasu.
W filmie „Fantastyczna podróż” miniaturowa łódź podwodna w ludzkich żyłach była sterowana przez pomniejszonych ludzi. W 2014 r. komórkowym pojazdem też sterują ludzie, choć nie siedzą w środku. – Średniowieczni filozofowie mieli rację, człowiek jest centrum wszechświata, nieskończonego także w głąb – mówią bohaterowie „Fantastycznej podróży”, płynąc w żyłach szyjnych człowieka. – To bardzo poetyckie, panowie, ale pilnujcie drogi i dajcie znać, kiedy natkniemy się na duszę.
JAKIE BĘDĄ ZASTOSOWANIA POJAZDÓW KOMÓRKOWYCH W MEDYCYNIE?
Badania naukowe
- gdy nanopojazdy opukują i naciskają na obiekty we wnętrzu komórki, zachodzą nigdy dotąd nieobserwowane odruchy komórkowe
Terapia
- do poszczególnych części komórki będzie można dostarczać substancje z niespotykaną dotąd dokładnością
Chirurgia
- wehikuły potrafią przebijać błony komórkowe oraz niszczyć pojedyncze elementy w komórce, co ułatwi operacje chirurgiczne w nanoskali
Diagnostyka
- sterowani ręcznie posłańcy będą zbierać informacje o kondycji wybranych części komórki, a potem je dostarczać lekarzom
Tekst pochodzi z 11 nr Tygodnika Wprost
Najnowszy numer "Wprost" jest dostępny w formie e-wydania .
Najnowszy "Wprost" jest także dostępny na Facebooku .
"Wprost" jest dostępny również w wersji do słuchania .