Καρκίνος και νανοτεχνολογία

Ο Paul Ehrich, πρωτοπόρος ανέπτυξε τη θεωρεία της «μαγικής σφαίρας», βάση της οποίας ένα φάρμακο μπορεί οδηγηθεί εκλεκτικά στην περιοχή του όγκου αφήνοντας ανεπηρέαστα τα υγιή κύτταρα.

Ο καρκίνος είναι μία απο τις συνηθέστερες αιτίες θανάτου παγκοσμίως αφού έχει υπολογιστεί ότι 7.6 εκατομύρια άνθρωποι πεθάναν το 2008, ενώ αποτελεί την δεύτερη αιτία θανάτου στην Αμερική και στον δυτικό κόσμο μετά τα καρδιαγγειακά. Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο οργανισμό Υγείας αναμένεται ότι μέχρι το 2020 οι θάνατοι εξαιτίας του καρκίνου θα φτάσουν τα 15 εκατομύρια. Εξαιτίας του γεγονότος αυτού οι δημόσιοι οργανισμοί, φαρμακευτικές εταιρείες και ακαδημαικόι φορείς έχουν ως επίκεντρο την ανάπτυξη νέων φαρμάκων με σκοπό την βελτίωση της ποιότητας ζωής του ασθενούς και την βελτίωση της αποτελεσματικότητας των φαρμάκων.

Η κλασική θεραπεία του καρκίνου βασίζεται στην χειρουργική παρέμβαση όπου μπορεί να πραγματοποιηθεί, χημειοθεραπεία και ακτινοθεραπεία όπου επιτρέπεται οδηγώντας σε θάνατο όχι μόνο τα καρκινικά αλλα και τα υγιεί κύτταρα δημιουργόντας τοξικά φαινόμενα στον οργανισμό των ασθενών. Η αποτελεσματική αντιμετώπιση σοβαρών ειδών καρκίνου παραμένει αόριστη κλινικά, κυρίως λόγω της ετερογενής φύσης διαφόρων ειδών καρκίνου και της αδυναμίας στόχευσης θεραπευτικών παραγόντων στην νεοπλασματικές περιοχές αποφεύγοντας τους υγιείς ιστούς.

Οι περισσότεροι από τους αντικαρκινικούς παράγοντες που χορηγούνται σήμερα, διανέμονται συστηματικά στον οργανισμό χωρίς εκλεκτικό περιορισμό στον καρκινικό ιστό. Η ευρεία αυτή βιοκατανομή των χημειοθεραπευτικών οδηγεί ταυτόχρονα στην καταπολέμηση του καρκίνου αλλά και σε μη επιθυμητές παρενέργειες στον υπόλοιπο οργανισμό. Η νανοτεχνολογία στο χώρο αυτό έρχεται να δώσει λύσεις στον τομέα αυτό μεταφέροντας το φάρμακο τοπικά στην περιοχή του όγκου αντιμετοπίζοντας το πρόβλημα τοπικά αποφεύγοντας περαιτέρω τοξικά φαινόμενα στον οργανισμό.

Η προσέγγιση αυτή αντιμετωπίζει το πρόβλημα του καρκίνου πιο αποτελεσματικά, βελτιώνοντας τη ζωή των ασθενών που νοσούν απο τον καρκίνο. Η νανοϊατρική είναι ο κλάδος της επιστήμης ο οποίος συνδιάζει την εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην ιατρική και πιο συγκεκριμένα συνδιάζει την δράση κλασσικών φαρμάκων με τις ιδιότητες νέων έξυπνων πολυμερικών υλικών με νέες προοπτικές για την αντιμετώπιση πολλών ασθενειών στην κλίμακα του νανομέτρου (1-1000 nm). Η εξέλιξη της του τομέα αυτού οδηγήσε τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη πολυλειτουργικών νανουλικών τα οποία θα ανιχνεύουν την νοσούντα περιοχή και τοπικά θα προκαλείται η απελευθέρωση δραστικών φαρμακευτικών ουσιών βάση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του καρκίνου αφήνοντας ανεπηρέαστα τα υγιεί κύτταρα.

Ο Paul Ehrich, πρωτοπόρος ανέπτυξε τη θεωρεία της «μαγικής σφαίρας», βάση της οποίας ένα φάρμακο μπορεί οδηγηθεί εκλεκτικά στην περιοχή του όγκου αφήνοντας ανεπηρέαστα τα υγιεί κύτταρα. Οι μέθοδοι εκλεκτικής μεταφοράς φαρμάκων βασίζοται αφενός στην εκμετάλευση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του όγκου και αφετέρου των ιστολογικών τους χαρακτηριστικών και της μορφολογίας τους. Το φυσικοχημικό περιβάλλον του όγκου είναι γνωστό ότι εμφανιζει όξινο περιβάλλον (pH), αυξημένη θερμοκρασία και υψηλότερο οξειδοαναγωγικό περιβάλλον σε σχέση με τα υγιεί κύτταρα.

Επιπρόσθετα εμφανίζει κατεστραμένο ενδοθηλιακό δύκτιο σε σχέση με τον υγιεί ιστό. Δεδομένου αυτού τα νανοσωματίδια μπορούν να διαπεράσουν το διάτριτο κυτταρικό τοίχωμα των καρκινικών ιστών δρώντας εκλεκτικά στα καρκινικά κύτταρα, μιάς και τα υγιεί δεν παρουσιάζουν αυτή την ιδιαιτερότητα. Το φαινόμενο αυτό καλείται ως φαινόμενο ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης (Enhanced Permeability and Retention Effect, EPR), σύμφωνα με το οποίο σωματίδια έως και 2μm (ανάλογα με το είδος και τη μορφολογία του όγκου) μπορούν εύκολα να διαπεράσουν το αγγειακό σύστημα του όγκου. Η προσέγγιση αυτή αφορά την παθητική στόχευση των όγκων με νανοσωματίδια, η οποία εκμεταλλεύεται την ικανότητα των νανοσωματιδίων να συγκεντρώνονται σε νεοπλασματικούς ιστούς λόγω του φαινομένου που περιγράφηκε προηγούμενα.

Η άλλη οδός στόχευσης των καρκινικών κυττάρων είναι η ενεργή στόχευση, όπου μόρια τα οποία εμφανίζουν υψηλή χημική συγγένεια σε καρκινικούς υποδοχείς προσδένονται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων με σκοπό την εκλεκτική μεταφορά τους στα καρκινικά κύτταρα. Η εσωτερίκευση πραγματοποιείται μέσω ενδοκύττωσης, όπου το νανοσωματίδιο εγκλωβίζεται από την πλασματική μεμβράνη, σχηματίζονται ενδοσώματα τα οποία μεταφέρονται σε συγκεκριμένα οργανίδια και πάλι εκλεκτικά απελευθερώνεται το φάρμακο. Σύμφωνα λοιπόν με τη διεθνή βιβλιογραφία μπορούν να αναπτυχθούν πολυμερικά υλικά τα οποία να ευαισθητοποιούνται βάση των χαρακτηριστικών του όγκου. Τέτοια πολυμερικά υλικά ανάλογα την σύσταση τους, το σχήμα, το μέγεθος και την επιφανειακή τροποποιήση μπορούν να έχουν διαφορετική συμπεριφορά στους ιστούς ενώ όταν βρεθούν στις συνθήκες του όγκου έχουν τη δυνατότητα να απελευθερώνουν το φάρμακο στην παθολογική περιοχή.

Έτσι, αναπτύχθηκαν πολυλειτουργικές νάνο-σφαίρες απο ευαίσθητα πολυμερη στο περιβάλλον του όγκου τα οποία ενεργοποιούνται παρουσία των χαρακτηριστικών του και απελευθερώνουν στοχευμένα το δραστικό συστατικό. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται συστήματα μεταφοράς φαρμάκων. Σε ότι αφορά την ανάπτυξη νανοσωματιδίων για την διάγνωση διαφόρων ασθενειών έχουν συντεθεί νανοσωματίδια κυρίως μεταλλικά ή/και κβαντικές τελείες , τα οποία επικαλύπτονται κατάλληλα με υλικά βιοσυμβατών πολυμερών που δεν θα προκαλέσουν την ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος αποφεύγοντας την ανάπτυξη φλεγμονής οδηγόντας στον επιτυχή εντοπισμό του παθολογικού ιστού. Τέτοια μεταλικά νανοσωματίδια όπως αυτά του χρυσού, του σιδήρου, οι κβαντικές τελείες και άλλα, λόγω του μικρού τους μεγέθους μπορούν να διαπεράσουν το κατεστραμένο ενδοθηλιακό σύστημα και εκλεκτικά να γίνει εντοπισμός του και η περαιτέρω θεραπεία του. Τα νανοσωματίδια χρυσού και οξειδίου του σιδήρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απεικονιστικούς και διαγνωστικούς σκοπούς αντίστοιχα.

Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου χρησιμοποιούνται ήδη στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού μέσω μαγνητικής τομογραφίας (MRI). Παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου τα νανοσωματίδια αυτά βοηθούν τα πρωτόνια βιολογικών ουσιών να έχουν μικρότερους χρόνους χαλάρωσης, δημιουργώντας ανομοιογένεια στο μαγνητικό πεδίο, απεικονίζοντας του ιστούς με μεγάλη ακρίβεια σε σχέση με συμβατικά σκιαγραφικά[31]. Τα νανοσωματίδια χρυσού εξ’ αιτίας του φαινομένου επιφανειακού συντονισμού πλασμονίων εμφανίζουν απορρόφηση και σκεδαση 5-6 φορές μεγαλύτερης τάξης μεγέθους από τις ισχυρότερες απορροφητικές οργανικές χρωστικές και ισχυρά φθορίζοντα μόρια αντίστοιχα, προσφέροντας την ικανότητα ενίσχυσης της διακριτικής ικανότητας πολλών απεικονιστικών μεθόδων, όπως η Συνεστιακή μικροσκοπία φθορισμού.

Τα μεταλλικά νανοσωματίδια που προαναφέρθηκαν μπορούν επίσης να λειτουργήσουν θεραπευτικά μέσω της Υπερθερμίας. Τα νανοσωματίδια χρυσού επάγουν θερμότητα όταν διεγερθούν με κατάλληλης ενέργειας ακτινοβολίαόπως είναι γνωστό απο τη βιβλιογραφία. Η ιδιότητα αυτή μπορεί να εφαρμοσθεί στην Φωτοθερμική Θεραπεία. Ομοίως τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου επάγουν θερμότητα παρουσία μαγνητικού πεδίου κατά την απορρόφηση ενέργειας που προέρχεται από τους μηχανισμούς αποκατάστασης Neel και Brown. Η χαρακτηριστική αυτή ιδιότητα εφαρμόζεται στη μαγνητική υπερθερμία. Οι δυο αυτές μέθοδοι υπερθερμίας για την θεραπεία του καρκίνου βασίζονται στο γεγονός ότι τα καρκινικά κύτταρα είναι ευπαθή σε θερμοκρασίες 40-45 oC, εν αντιθέσει με τα υγιή που εμφανίζουν αντοχή ακόμη κ σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Συνδυάζοντας τις βιοεφαρμογές της υπερθερμίας με θερμοευαίσθητα συστήματα μεταφοράς φαρμάκων, όπως τα λιποσώματα, μπορεί να ενισχυθεί συνεργιστικά η θεραπευτική ισχύς της μεθόδου. Από την οπτική της σημαντικής διαφοράς στο pH μεταξύ των υγιών και καρκινικών κυττάρων μπορούν να συντεθούν συστήματα μεταφοράς φαρμάκων ευαίσθητα σε αλλαγές pH, όπως τα pH ευαίσθητα κενά πολυμερικά νανοσωματίδια.

Ελένη Κ. Ευθυμιάδου
Επίκουρος Καθηγήτρια τμήματος χημείας, Πανεπιστήμιο Αθηνών.
Μεταδιδακτορική ερευνήτρια ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας