Arkiverad

Nanopartiklar: Cellulära Trojanska hästar

Bloggar Kemi omkring oss
Publicerad: 04.03.2009

Små maskiner som åker runt i kroppen, letar upp fel och reparerar dem. Låter det som en scifi-film? Faktum är att det är ungefär vad nanoteknologin hoppas på kunna åstadkomma så småningom.

Exempel på ett målsökande multifunktionellt nanopartikelsystem, för såväl transport av läkemedel som medicinsk bildgivning. Bilden är fixad av FM Emilia Peuhu (Cellbiologi, Åbo Akademi).

Traditionellt, när en patient tar en medicin kommer läkemedlet att spridas över hela kroppen via blodcirkulationen. Endast en liten mängd av läkemedlet kommer då att faktiskt hitta fram till det sjuka stället. De flesta läkemedlen är giftiga i någon koncentration, och kan inte skilja på sjuk och frisk vävnad eller celler.

Vid t.ex. kemoterapi tappar patienten håret för att cellgifterna inte bara påverkar cancercellerna utan även normala celler. Denna oselektivitet gäller de flesta mediciner på marknaden, vilka därför har oönskade biverkningar. Dessutom är en stor del aktiva substanser omöjliga att användas som sådana på grund av sin låga vattenlöslighet (kroppen består till ca. ¾ av vatten) eller dåliga biotillgänglighet. Därför behövs ett läkemedelsbärarsystem för att uppnå en effektiv terapi.

Läkemedelsbärarsystem?

Som ju namnet säger, så är ett läkemedelsbärarsystem en grej (ett material) som innehåller och kanske också transporterar läkemedel i kroppen, och detta “system” kan vara t.ex. liposomer, polymera eller keramiska porösa matriser som man fyller med läkemedel som sedan frigörs där som det skall verka. Dessa kan vara t.ex. implantat, plåster, mikro- eller nanopartiklar.

Om man vill ha ett bärarsystem som skall kunna åka omkring i blodcirkulationen utan att blockera någon av kroppens små kapillärer och till slut även kunna upptas av en cell, måste dessa vara tillräckligt små. Här kommer nanomaterialen in i bilden.

Nanopartiklar

Nanopartiklar är typiskt i storleken 1-100 nm (i biomedicinska tillämpningar används snarare 10-1000 nm, eftersom det minsta alternativet inte alltid är det hälsosammaste!) emedan cellerna kan vara 20-50 µm (20 000–50 000 nm, eller 0.02-0.05 mm). Nanopartiklarna måste då också göras osynliga för immunceller (försvarsceller) som åker runt och söker främmande substanser att eliminera ur kroppen.

Detta görs med kemisk modifiering genom att fästa hydrofila (vattenälskande) polymerer på ytan av partikeln (se bild). Vill man däremot nå organ som hör till immunsystemet, s.s. levern, kan man istället göra ytan mera hydrofob (vattenhatande) så kommer immuncellerna att fånga in och föra partiklarna till levern för eliminering. Istället kan nu partikeln vara fylld med mediciner som frigörs i levern. Monocyter (också en sorts immunceller som samlas vid infektionsställen) kan även “matas” med nanopartiklar och sedan utnyttjas till att transportera dessa till tumörer.

Receptor-ligand fungerar som en nyckel

På cellytan finns särskilda proteiner, receptorer, som fungerar som molekylära signaler och gör det möjligt för cellerna att kommunicera med varandra och sin omgivning. Detta sker genom att receptorerna binder till specifika molekyler, ligander, vilket leder till någon viss respons hos cellen. Receptor-ligand bindningen fungerar lite som en nyckel i ett lås, dvs. bara en viss ligand binder till en viss receptor.

Dessutom leder denna specifika bindning ofta till att liganden upptas av (dvs. in i) cellen; liganden kan t.ex. vara ett näringsämne som cellen behöver. Receptorn kan ofta vara en antigen, och då kallas liganden för antikropp. Tumör-antigener är till exempel antigener som finns bara på ytan av cancerceller och aldrig på normala celler.

När man en gång identifierat ett sådant receptor-ligand par, kan man fästa ligand-molekylen på ytan av ett läkemedelsbärarsystem för att styra bäraren just till de celler, t.ex. cancerceller, som man vill! Denna teknik kallas målsökning och är hett stoff inom nanoteknologisk forskning idag.

Magnetit-partiklar och fluorescensmikroskopi?

Inom cancerterapi kan, i vissa fall, till och med nanopartikeln själv fungera som medicin, om man t.ex. tillverkar partiklar med en guld (Au) eller magnetit (Fe3O4) kärna. Efter att nanopartiklarna upptagits av cancercellerna, kan de “aktiveras” utifrån med en strålning som i sig självt inte är skadlig för vävnad. Däremot kommer detta att leda till att partikeln vibrerar så den alstrar tillräckligt med värme för att döda cancercellen.

Magnetit-partiklar kan även användas till att tillverka läkemedelsbärarsystem för vilka läkemedelsfrigöringen kontrolleras genom ett yttre magnetfält. Magnetit-nanopartiklar till vilka man fäst cancerspecifika ligander kan också användas inom diagnostik med hjälp av MRI (magnetisk resonanstomografi). På andra sorters nanopartiklar kan man fästa fluorescerande molekyler i samma syfte (se bild), men istället lokaliseras då tumören med hjälp av fluorescensmikroskopi.

Med andra ord gäller det att spela med materialens kemi, vilket är just vad nanoteknologin sysslar med: att tillverka nanomaterial som skall fungera på ett visst sätt i en viss tillämpning (funktionella material)!

Se även Kreativ-artikeln:

Grattis till Millenniumpriset, professor Robert Langer!

Jesse Rosenholm är teknologie doktor som disputerade i våras inom design av multifunktionella läkemedelsbärarmaterial.