Daktaras Nanotech prieš vėžį

Jei esate vienas iš trečdalio gyventojų, kurie kada nors susirgs vėžiu, jūsų kūne bus įspėjamieji ženklai gerokai anksčiau, nei gydytojas galės diagnozuoti ligą. Jei šiuos subtilius signalus jūsų ląstelėse ir kraujotakoje būtų galima aptikti tik anksčiau, turėtumėte daug daugiau galimybių išgyventi. Problema ta, kad pokyčiai, žymintys ankstyvąsias vėžio stadijas, yra nepaprastai sudėtingi ir dažnai nežymūs, net ir molekuliniu lygmeniu.

Tačiau Kalifornijos technologijos instituto fizikinis chemikas Jamesas Heathas mano, kad nanotechnologijos pagaliau galėtų išspręsti šią molekulinę mįslę. Heath'as lažinasi, kad itin mažų silicio vielų bankai, kurių kiekvienas skirtas aptikti konkretų su vėžiu susijusį baltymą, gali užfiksuoti net subtiliausius mūsų kūno chemijos pokyčius. Nanojutikliai, kuriuos kuria Heathas ir jo Caltech bendradarbiai, vienu metu ieškos šimtų ar net tūkstančių skirtingų biomolekulių, tarkime, kraujo laše. Jei jie veiktų, šie nanojutikliai galėtų būti vėžio tyrimų, kurie yra ne tik tikslesni, bet ir pigesni bei patogesni nei dabar prieinami, nereikalaujant audinių mėginių ėmimo ir laboratorinės analizės, pagrindas.

Ši istorija buvo mūsų 2005 m. vasario mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tai, žinoma, daug nesako. Daugumos vėžio atranka išlieka primityvi, dažnai apimanti paprastus fizinius tyrimus, siekiant rasti naviko augimo įrodymų, arba neapdorotus vaizdo gavimo metodus, tokius kaip mamografija ir rentgeno spinduliai. Kraujo tyrimai atliekami keletui vėžio formų, tokių kaip prostatos ir kiaušidžių vėžys, tačiau jų rezultatai yra apgailėtini; jie ne tik yra lėti ir brangūs, bet ir yra labai nepatikimi. Pavyzdžiui, norėdami diagnozuoti prostatos vėžį, gydytojai kraujyje ieško baltymo, vadinamo PSA (prostatos specifinis antigenas). Tačiau tik 25–30 procentų vyrų, kurie patiria didžiulį įtemptą audinių biopsijos procesą dėl didelio PSA kiekio kraujyje, iš tikrųjų serga prostatos vėžiu. PSA visada yra prostatoje, pabrėžia Heathas, ir nuolat nedideliais kiekiais patenka į kraują. Kai yra kokia nors prostatos trauma – tai gali būti vėžys ar kažkas kita – ji išteka didesniais kiekiais. Tačiau tai labai prastas ankstyvos stadijos prostatos vėžio žymuo, nes toje stadijoje prostata tikrai nėra per daug traumuojama.

Tikslesnis vėžio tyrimas geriau atspindėtų biomolekulinių įvykių sudėtingumą. Heath siekia sukurti prietaisus, kurie galėtų ne tik atlikti kelis matavimus vienu metu iš kraujo lašo ar kelių ląstelių, paimtų iš konkretaus audinio, bet ir aptikti itin mažus biomolekulių kiekius. Mes stengiamės sukurti pirštų dūrio testą, aiškina jis. Norėtume, kad šis testas ilgainiui būtų panašus į diabetikams naudojamą testą. Diabetikai dabar gali stebėti savo gliukozės kiekį ir, kadangi jie gali tai daryti reguliariai, ima kontroliuoti ligą. Norėtume sukurti panašią vėžio platformą.

Dėlionės supjaustymas kartu
Vėžio tyrimai gali atrodyti mažai tikėtina vieta, kur Jamesas Heathas atsidūrė. Devintojo dešimtmečio pradžioje, būdamas Hiustone esančio Rice universiteto magistrantūros studentas, jis pradėjo tyrinėti mažų medžiagų gabalėlių savybes. Jis priklausė komandai, kuri 1985 m. atrado futbolo kamuolio formos anglies molekulę C60; Šis atradimas po 11 metų pelnė Heatho profesoriaus Richardo Smalley Nobelio premiją ir padėjo pradėti domėtis nanotechnologijomis. Tačiau vėliau Heathas sutelkė dėmesį į puslaidininkius, tokius kaip silicis, naudojamus mikroelektronikos pramonėje, ieškodamas būdų, kaip juos paversti vis mažesniais prietaisais. Neseniai jis su bendradarbiais iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje sukūrė metodą, kaip pagaminti vos kelių nanometrų pločio silicio laidus, maždaug dešimt kartų mažesnius už mažiausius šiandieninių integrinių grandynų bruožus.

Pažanga buvo nuolatinio elektronikos miniatiūrizavimo etapas. Ir, sako Heath, tikėjomės, kad išsprendus tokią sudėtingą problemą atsiras kitos galimybės. Jie padarė: Heathas suprato, kad šie nanolaideliai taip pat gali būti itin jautrūs biojutikliai.

Tačiau jis taip pat suprato, kad nanolaidų įtraukimas į veiksmingą diagnostikos priemonę nebus lengvas. Žmogaus sveikatos būklės pokyčius atspindi laukiniai biomolekulių koncentracijos svyravimai, kai įsijungia ir išsijungia skirtingi genai. Tačiau per pastaruosius kelerius metus genetikai ir molekuliniai biologai suprato, kad genai paprastai neveikia savarankiškai. Jie linkę veikti grupėse ir tinkluose ir gali reguliuoti vienas kito išraišką. Taigi norint suprasti molekulinius ligos pirštų atspaudus, reikia sistemos lygmens supratimo apie tai, kaip genai ir baltymai veikia kartu.

Čia ateina Heatho bendradarbis Leroy'us Hudas, Sietlo Sistemų biologijos instituto įkūrėjas. Sistemų biologai į ląstelę žiūri panašiai kaip elektros inžinierius į sudėtingą grandinę: kaip į labai tarpusavyje sujungtą komponentų, kurie įjungia vienas kitą, sistemą. ir išjungimo bei relės signalai. Heath jutikliai gali suteikti tūkstančius užuominų apie asmens sveikatos būklę, tačiau Hudo sistemų biologijos metodas reikalingas, kad visos šios informacijos dalys būtų sujungtos į nuoseklų vaizdą.

Pavyzdžiui, Hudas ir jo komanda ištyrė, kaip genai ekspresuojami gaminant baltymus ląstelėse ir audiniuose, paveiktuose prostatos vėžio. Mūsų idėja, sako Hoodas, yra ta, kad skirtumas tarp normalių ir sergančių ląstelių yra tas, kad sergančių ląstelių baltymų ir genų reguliavimo tinklai buvo sutrikdyti, o šie ligos sutrikimai atsispindi pakitusiuose baltymų ekspresijos modeliuose, kuriuos kontroliuoja tinklai. Dalis šių sutrikusių baltymų pateks į kraują ir sudarys molekulinius pirštų atspaudus, kurie diagnozuoja ne tik sveikatą ir ligas, bet ir kokią ligą bei kokios konkrečios ligos tipą. (Pavyzdžiui, yra mažiausiai trys skirtingi prostatos vėžio tipai.)

Mes nustatėme 300 [vėžio žymenų] genų, kurie yra unikaliai išreikšti prostatoje, sako Hood, ir prognozuojame, kad apie 62 iš jų gali būti išskiriami į kraują. Ištyrėme vieną iš jų, gamindami prieš jį antikūnus ir įrodėme, kad jo yra tik pacientų, sergančių prostatos vėžiu, kraujyje. Hudo komanda dabar tiria dar penkis prostatos vėžio išskiriamus baltymus. Ji taip pat nustatė panašų genų, kurie turėtų būti diagnozuojami kiaušidžių vėžiui, rinkinį.

Skysčių padėtis
Kaip tiksliai atrodytų nanojutiklis, aptikęs tokius baltymus? Kad nanolaidą paverstų tranzistoriumi, mokslininkai kiekvieną jo galą susiliečia su metaliniais laidais, kad per jį būtų galima praleisti srovę. Tada jie pastato elektrodą arti nanolaidelio. Įkraunant šį elektrodą pakeičiamas nanolaidelio laidumas, jis įjungiamas ir išjungiamas – viskas žinoma kiekvienam elektros inžinieriui.

Tada Heathas savo nanolaidinius tranzistorius paverčia mažyčiais biojutikliais. Tarkime, kad vienas nanolaidelis turi veikti kaip konkretaus baltymo jutiklis. Tyrėjai padengia vielos paviršių antikūnais, kurie prilips prie tikslinio baltymo, bet ne prie kitų molekulių. Kai baltymai jungiasi prie antikūnų, jie sąveikauja su elektronais, keliaujančiais nanolaidelio paviršiaus sluoksnyje, pakeisdami jo laidumą. Jei viela yra tik kelių nanometrų storio, pastebimas reikšmingas ir išmatuojamas jo bendro laidumo pokytis. Jei laidas tikrai labai mažas, sako Heathas, užuot įjungę įtampą, galime ant jo įdėti molekules, o cheminis įvykis sukelia tranzistoriaus persijungimą.

Dėl mažo dydžio prietaisai taip pat yra labai jautrūs. Galiausiai molekulių, reikalingų rodmenims, skaičius priklausys nuo to, kaip stipriai jos jungiasi su receptorių grupėmis jutiklio paviršiuje; bet galbūt įmanoma aptikti atskiras molekules. Heathas sako, kad nors jo grupė dar nepasiekė tokio jautrumo lygio, jai pavyko aptikti tik kelias molekules. (Tuo tarpu Charlesas Lieberis iš Harvardo universiteto pademonstravo nanojutiklius, galinčius aptikti vieną viruso dalelę*).

Tačiau Heathas pasitiki ne tik dideliu jautrumu, kad būtų lengva ir anksti nustatyti ligą. Jis sako, kad galime pagaminti tūkstančius šių jutiklių labai mažame plote. Tai reiškia galimybę patikrinti įvairų atskirų ląstelių molekulinį turinį. Heath bendradarbiauja su Stanfordo universiteto mikrofluidikos ekspertu Stephenu Quake'u, kad sukurtų lustus, kuriuose mikroskopiniais kanalais pumpuojami skysčiai perkelia atskiras ląsteles į vietą nanojutiklio matricoje, kur jas galima tirti po vieną.

Galų gale visa ši technologija turi būti integruota į įrenginį, kurį būtų galima naudoti klinikoje, o tai reiškia dar daugiau techninių ir praktinių problemų sprendimo. 2003 m. Caltech sistemų biologijos institutas ir Kalifornijos universitetas Los Andžele įkūrė NanoSystems Biology Alliance, siekdami užtikrinti, kad naujosios priemonės atspindėtų naujausius vėžio biologijos ir imunologijos pasiekimus. Vėžio ir kitų ligų diagnozė, sako Quake, bus automatiškai, per kelias sekundes ar minutes, bus diagnozuota tik kelioms ląstelėms ar jų turiniui. Ir šis spėjimas, jis prognozuoja, per šį dešimtmetį pavirs realybe.

Naujausia Philipo Ballo knyga vadinama Kritinė masė: kaip vienas dalykas veda prie kito .

paslėpti