Dr Nanotech pret vēzi

Ja esat viens no trešajiem iedzīvotājiem, kuriem kādreiz attīstīsies vēzis, jūsu ķermenī būs brīdinājuma zīmes krietni pirms jūsu ārsts varēs diagnosticēt slimību. Ja šos smalkos signālus jūsu šūnās un jūsu asinsritē varētu atklāt tikai ātrāk, jums būtu daudz lielāka iespēja izdzīvot. Problēma ir tā, ka izmaiņas, kas iezīmē vēža agrīnās stadijas, ir ārkārtīgi sarežģītas – un bieži vien nelielas, pat molekulārā līmenī.

Taču Kalifornijas Tehnoloģiju institūta fizikālais ķīmiķis Džeimss Hīts uzskata, ka nanotehnoloģija beidzot varētu sniegt šīs molekulārās mīklas risinājumu. Hīts ir derējis, ka ultramazu silīcija stiepļu bankās, kas izveidotas, lai noteiktu konkrētu ar vēzi saistītu proteīnu, varētu uztvert pat vissmalkākās izmaiņas mūsu ķermeņa ķīmijā. Nanosensori, ko izstrādā Hīts un viņa Caltech kolēģi, vienlaikus meklēs simtiem vai pat tūkstošiem dažādu biomolekulu, piemēram, asins pilē. Ja tie darbojas, šie nanosensori varētu būt par pamatu vēža testiem, kas ir ne tikai precīzāki, bet arī lētāki un ērtāki nekā tagad pieejamie, jo tie neietver audu paraugu ņemšanu un laboratorijas analīzi.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2005. gada februāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tas, protams, neko daudz neizsaka. Lielāko daļu vēža skrīnings joprojām ir primitīvs, bieži vien ietverot vienkāršus fiziskos eksāmenus, lai atrastu pierādījumus par audzēja augšanu, vai neapstrādātas attēlveidošanas metodes, piemēram, mammogrāfiju un rentgena starus. Asins analīzes tiek veiktas dažiem vēža veidiem, piemēram, prostatas un olnīcu vēzim, taču to rezultāti ir nožēlojami; tie ir ne tikai lēni un dārgi, bet arī ļoti neuzticami. Piemēram, lai diagnosticētu prostatas vēzi, ārsti asinīs meklē proteīnu, ko sauc par PSA (prostatas specifisko antigēnu). Bet tikai 25 līdz 30 procentiem vīriešu, kuri piedzīvo ārkārtīgi saspringto audu biopsijas procesu, jo viņu asinīs ir augsts PSA līmenis, patiesībā ir prostatas vēzis. PSA vienmēr atrodas prostatā, norāda Hīts, un nelielos daudzumos visu laiku tiek izvadīts asinīs. Ja ir kāda veida prostatas trauma – kas varētu būt vēzis vai kas cits –, tā izplūst lielākā daudzumā. Bet tas ir ļoti slikts agrīnas stadijas prostatas vēža marķieris, jo šajā stadijā prostata patiešām nav pārāk daudz traumēta.

Precīzāks vēža tests labāk atspoguļotu biomolekulāro notikumu sarežģītību. Hīta mērķis ir izveidot ierīces, kas var ne tikai veikt vairākus mērījumus vienlaikus no asins piliena vai dažām šūnām, kas ņemtas no konkrēta audu, bet arī noteikt ārkārtīgi mazus biomolekulu daudzumus. Mēs cenšamies izstrādāt uz pirksta dūrienu balstītu testu, viņš skaidro. Mēs vēlētos, lai šis tests galu galā būtu kaut kas līdzīgs tam, ko izmanto diabēta slimniekiem. Diabētiķi tagad var kontrolēt savu glikozes līmeni, un, tā kā viņi to var darīt regulāri, viņi pārņem slimību kontroli. Mēs vēlētos izstrādāt līdzīgu platformu vēža ārstēšanai.

Puzles sagriešana kopā
Vēža pētījumi varētu šķist maz ticama vieta Džeimsam Hītam. Astoņdesmito gadu sākumā, būdams Hjūstonas Raisa universitātes absolvents, viņš sāka pētīt sīku materiālu gabalu īpašības. Viņš bija daļa no komandas, kas 1985. gadā atklāja futbola bumbiņas formas oglekļa molekulu C60; Atklājums 11 gadus vēlāk ieguva Nobela prēmiju Hīta profesoram Ričardam Smollejam un palīdzēja uzsākt mūsdienu interesi par nanotehnoloģiju. Taču vēlāk Hīts pievērsa uzmanību pusvadītājiem, piemēram, silīcijam, ko izmanto mikroelektronikas nozarē, meklējot veidus, kā tos pārveidot par arvien mazākām ierīcēm. Nesen viņš un līdzstrādnieki Kalifornijas Universitātē Santa Barbarā izstrādāja metodi silīcija vadu izgatavošanai, kuru platums ir tikai daži nanometri, kas ir apmēram desmit reizes mazāki nekā mūsdienu integrēto shēmu mazākie elementi.

Šis progress bija pagrieziena punkts nepārtrauktā elektronikas miniaturizācijā. Un, saka Hīts, mēs cerējām, ka, atrisinot tik sarežģītu problēmu, pavērsies citas iespējas. Viņi to darīja: Hīts saprata, ka šie nanovadi var kalpot arī kā īpaši jutīgi biosensori.

Tomēr viņš arī saprata, ka nanovadu iekļaušana efektīvā diagnostikas instrumentā nebūs vienkārša. Cilvēka veselības stāvokļa izmaiņas izpaužas kā savvaļas biomolekulu koncentrācijas svārstības, ieslēdzoties un izslēdzoties dažādiem gēniem. Taču pēdējo gadu laikā ģenētiķi un molekulārie biologi ir sapratuši, ka gēni parasti nedarbojas neatkarīgi. Viņiem ir tendence darboties grupās un tīklos, un viņi var regulēt viens otra izteiksmi. Tāpēc, lai saprastu slimības molekulāros pirkstu nospiedumus, ir nepieciešama sistēmas līmeņa izpratne par to, kā gēni un proteīni darbojas kopā.

Šeit stājas Hīta līdzstrādnieks Lerojs Huds, Sietlas Sistēmu bioloģijas institūta dibinātājs. Sistēmu biologi skatās uz šūnu līdzīgi kā elektroinženieris uz sarežģītu ķēdi: kā uz ļoti savstarpēji saistītu komponentu sistēmu, kas ieslēdz viena otru. un izslēgšanas un releja signāli. Hīta sensori var sniegt tūkstošiem norādes par cilvēka veselības stāvokli, taču ir nepieciešama Huda sistēmu bioloģijas pieeja, lai visas šīs informācijas daļas apvienotu saskaņotā attēlā.

Huds un viņa komanda, piemēram, ir pētījuši, kā gēni tiek ekspresēti, lai ražotu proteīnus šūnās un audos, ko skārusi prostatas vēzis. Mūsu ideja, saka Huds, ir tāda, ka atšķirība starp normālām un slimām šūnām ir tāda, ka slimajās šūnās ir traucēti olbaltumvielu un gēnu regulējošie tīkli, un šīs slimības traucējumi atspoguļojas mainītos proteīnu ekspresijas modeļos, ko kontrolē tīkli. Daļa no šiem traucētajiem proteīniem nonāks asinīs un veidos molekulārus pirkstu nospiedumus, kas ļauj diagnosticēt ne tikai veselību un slimības, bet arī to, kāda slimība un kāda veida konkrēta slimība. (Piemēram, ir vismaz trīs dažādi prostatas vēža veidi.)

Mēs esam identificējuši 300 [vēža marķieru] gēnus, kas ir unikāli izteikti prostatā, saka Huds, un mēs prognozējam, ka aptuveni 62 no tiem var izdalīties asinīs. Mēs pārbaudījām vienu no tiem, veidojot pret to antivielas, un pierādījām, ka tas ir tikai prostatas vēža pacientu asinīs. Huda komanda tagad pārbauda vēl piecus prostatas vēža izdalītos proteīnus. Tā ir arī atradusi līdzīgu gēnu klāstu, kam vajadzētu būt olnīcu vēža diagnostikai.

Šķidruma situācija
Kā īsti izskatītos nanosensors šādu proteīnu noteikšanai? Lai nanovadu pārvērstu par tranzistoru, pētnieki katru tā galu saskaras ar metāla vadiem, lai caur to varētu izvadīt strāvu. Pēc tam tie novieto elektrodu tuvu nanovadam. Šī elektroda uzlāde maina nanovada vadītspēju, ieslēdzot un izslēdzot to — tas viss ir zināms jebkuram elektroinženierim.

Pēc tam Hīts pārveido savus nanovadu tranzistorus sīkos biosensoros. Piemēram, sakiet, ka vienam nanovadam ir jādarbojas kā konkrēta proteīna sensoram. Pētnieki pārklāj stieples virsmu ar antivielām, kas pielīp pie mērķa proteīna, bet ne pie citām molekulām. Kad proteīni saistās ar antivielām, tie mijiedarbojas ar elektroniem, kas pārvietojas nanovada virsmas slānī, mainot tā vadītspēju. Ja vads ir tikai dažus nanometrus biezs, tā kopējā vadītspējā ir ievērojamas un izmērāmas izmaiņas. Ja vads patiešām ir ļoti mazs, saka Hīts, tā vietā, lai pieliktu tam spriegumu, mēs varam uzlikt molekulas, un ķīmisks notikums izraisa tranzistora pārslēgšanos.

To mazais izmērs arī padara ierīces ļoti jutīgas. Galu galā molekulu skaits, kas nepieciešams rādījuma iegūšanai, būs atkarīgs no tā, cik cieši tās saistās ar receptoru grupām uz sensora virsmas; bet var būt iespējams noteikt atsevišķas molekulas. Hīts saka, ka, lai gan viņa grupa vēl nav sasniegusi šo jutīguma līmeni, tai ir izdevies atklāt tikai dažas molekulas. (Čārlzs Lībers no Hārvardas universitātes tikmēr ir demonstrējis nanosensorus, kas spēj noteikt vienu vīrusa daļiņu*).

Taču Hīts paļaujas ne tikai uz augstu jutību, lai viegli un agrīni atklātu slimību. Viņš saka, ka mēs varam izgatavot tūkstošiem šo sensoru ļoti mazā vietā. Tas nozīmē spēju pārbaudīt atsevišķu šūnu daudzveidīgo molekulāro saturu. Hīts sadarbojas ar Stenfordas Universitātes mikrofluidikas ekspertu Stīvenu Kveiku, lai izgatavotu mikroshēmas, kurās šķidrumi, kas tiek sūknēti pa mikroskopiskiem kanāliem, pārnes atsevišķas šūnas pozīcijā virs nanosensoru masīva, kur tās var pētīt pa vienai.

Galu galā visa šī tehnoloģija ir jāintegrē klīnikā lietojamā ierīcē, kas nozīmē vēl vairāk tehnisku un praktisku problēmu risināšanu. 2003. gadā Caltech Sistēmu bioloģijas institūts un Kalifornijas Universitāte Losandželosā izveidoja NanoSystems Biology Alliance, lai nodrošinātu, ka jaunie rīki atspoguļo jaunākos sasniegumus vēža bioloģijā un imunoloģijā. Vēža un citu slimību diagnoze, saka Quake, tiks veikta automātiski dažu sekunžu vai minūšu laikā tikai nedaudzām šūnām vai to saturam. Un šis pieņēmums, viņš prognozē, šīs desmitgades laikā tiks pārvērsts par realitāti.

Filipa Bala jaunākā grāmata saucas Kritiskā masa: kā viena lieta noved pie citas .

paslēpties