Nanotechnologia

Tworzenie rozwiązań z zakresu nanotechnologii dla medycyny znajduje zastosowanie głównie w obrazowaniu, diagnostyce chorób, inżynierii tkankowej oraz projektowaniu bardziej wydajnych, opłacalnych i bezpiecznych systemów dostarczania leków w celu precyzyjnego dostarczania leków. W poniższym artykule chcemy przybliżyć tą tematykę w oparciu o aspekty związane z walką z chorobami nowotworowymi. 

Nanotechnologia oferuje innowacyjne rozwiązania dla medycyny poprzez opracowywanie nowych systemów dostarczania leków, w celach poprawy wyników diagnostycznych i terapeutycznych wielu chorób ​(Sahu et al., 2021)​. Systemy dostarczania leków są zdefiniowane jako preparaty lub urządzenia, które umożliwiają kontrolowane wprowadzenie substancji leczniczej do organizmu ​(Sung & Kim, 2020)​. Opracowywane systemy pozwalają na poprawę stabilności substancji terapeutycznych in vivo, zwiększenie kontroli ich uwalniania pod wpływem bodźców oraz ukierunkowanie działania leków do określonego miejsca, jednakże sama ich skuteczność terapeutyczna zależy od wielu czynników związanych z farmakokinetyką, dystrybucją, wychwytem komórkowym, metabolizmem, wydalaniem oraz toksycznością, które są zależne od sposobu i drogi podawania ​(Pachuau, 2015; Sung & Kim, 2020)​.  

W przypadku medycyny onkologicznej tradycyjne metody leczenia raka ograniczają się obecnie do operacji, radioterapii i chemioterapii, a wszystkie one niosą ze sobą ryzyko uszkodzenia prawidłowych tkanek lub niepełnego wyleczenia nowotworu. Nanotechnologia umożliwia bezpośrednie i selektywne ukierunkowanie terapii na komórki nowotworowe, wspomaga chirurgiczne usuwanie nowotworów, zwiększa skuteczność radioterapii oraz pokonuje lekooporność, wspierając nowatorskie immunoterapie ​(Irvine & Dane, 2020)​. W diagnostyce i terapii onkologicznej stosowane są nanomateriały takie jak  kropki kwantowe, nanosfery, nanocząstki złota, liposomy, nanorurki węglowe oraz polimerowe micele i dendrymery, które ze względu na swój nanometryczny rozmiar są w stanie z łatwością przeniknąć przez bariery biologiczne organizmu w odróżnieniu od tradycyjnych nośników ​(Jin et al., 2020)​. Wprowadzone do organizmu nanomateriały są szybko pokrywane biomolekułami – białkami, lipidami, cukrami – która nosi nazwę korony białkowej lub biokorony, które ułatwiają wychwyt nanostruktury przez komórkę w wyniku endocytozy. Sposób otaczania powierzchni nanomateriału przez koronę białkową jest kluczowy dla jej późniejszej internalizacji, stąd w procesie opracowywania nanostruktur kluczowe jest otrzymanie ich o odpowiedniej hydrofobowości/hydrofilowości, składzie chemicznym, czy ładunku i morfologii powierzchni ​(Pietroiusti et al., 2013)​. Biorąc powyższe pod uwagę zastosowanie nanonośników do dostarczania leków chemioterapeutycznych, które są charakteryzowane przez niespecyficznie dystrybuowane w organizmie i podatność na oporność wielolekową w trakcie leczenia, daje realną szanse na pokonanie tych ograniczeń i zwiększenie skuteczności terapeutycznej nowotworów. Stąd też pożądane jest opracowanie systemu dostarczania leku, który będzie łączył chemioterapię z innymi metodami leczenia raka ​(Zhao et al., 2018)​. 

W nanofarmakologii, oprócz wspomnianych wcześniej nanocząstek, miceli czy liposów, można wykorzystać jako nośniki substancji przeciwnowotworowych można zaliczyć nanostruktury ceramiczne, których przykładem są nanorurki haloizytu ​(Karewicz et al., 2021)​. Innym przykładem jest zastosowanie superparamagnetycznych nanocząstek tlenku żelaza (SPION) w leczeniu nowotworów, które ze względu na wykazywane właściwości terapeutyczne i możliwości różnorodnych modyfikacji są obiecującym i wielofunkcyjnym narzędziem w różnych terapiach nowotworowych ​(Musielak et al., 2019)​. Wykorzystując fakt, że SPIONy wykazują właściwości magnetyczne jedynie w obecności przyłożonego pola magnetycznego, znalazły zastosowanie zarówno w separacji magnetycznej in vitro, jak i w zastosowaniach in vivo, takich jak hipertermia, magnetyczne namierzanie leków, obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, dostarczanie genów i nanomedycyna ​(Lin et al., 2008)​. Szczególną uwagę poświęca się pierwszemu zjawisku. Hipertermia indukowana przez SPIONy oznacza wzrost temperatury tkanek ciała w sytuacji, gdy przykładane jest zewnętrzne zmienne pole magnetyczne o określonej częstotliwości powoduje wzrost temperatury samych cząstek. W terapii nowotworów celowo podnosi się temperaturę do 40–45°C, co inicjuje subkomórkowe procesy, czyniące komórki podatnymi na uszkodzenia, w tym apoptozę ​(Chatterjee et al., 2011)​. Hipertermia zwiększa skuteczność chemioterapii w niszczeniu komórek nowotworowych, nie wpływając na zdrowe komórki. Stąd SPIONy wykorzystywane w MHT pozwalają na ukierunkowane i miejscowe leczenie nowotworów z wystąpieniem skutków ubocznych w mniejszym stopniu, niż w przypadku innych terapii, co może stanowić uzupełnienie metod takich jak chirurgia, radioterapia, chemioterapia, immunoterapia, terapia hormonalna i genowa ​(Talluri & Malla, 2019)​. 

Aby utrzymać superparamagnetyczne zachowanie cząstek tlenku żelaza, wielkość monokryształu nie powinna przekraczać 20 nm. Do zastosowań biomedycznych wymaga się również modyfikacji powierzchni SPIONów za pomocą specjalnych powłok, aby zwiększyć ich stabilność koloidalną, biokompatybilność i zahamować ich eliminację przez układ siateczkowo-śródbłonkowy. Często w tym celu wykorzystuje się naturalne i syntetyczne polimery ​(Nelson et al., 2020)​.  

Biorąc powyższe pod uwagę, łatwo dostrzec niebagatelne znaczenie nanotechnologii dla rozwoju medycyny onkologicznej. W drugiej części naszego artykułu przybliżymy wyniki prac krakowskich zespołów z zakresu otrzymywania i analizy nanocząstek i ich modyfikacji w celach walki z nowotworami. 

O Autorze:

Studentka V roku Inżynierii Materiałowej na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Specjalizuje się w opracowywaniu systemów dostarczaniu leków oraz biomateriałów dla medycyny regeneracyjnej. Obecnie realizuje pracę magisterską dotyczącą otrzymywania mikrożeli dostarczających insulinę do ran cukrzycowych. Od maja 2023 roku współpracuje w ramach wolontariatu z Fundacją Wspierania Nanonauk i Nanotechnologii Nanonet. Interesuje się fotografią i fabularyzowanymi grami terenowymi typu LARP. 

Bibliografia: 

• ​​Chatterjee, D. K., Diagaradjane, P., & Krishnan, S. (2011). Nanoparticle-mediated hyperthermia in cancer therapy. Therapeutic Delivery, 2(8), 1001–1014. https://doi.org/10.4155/tde.11.72
  
• ​Irvine, D. J., & Dane, E. L. (2020). Enhancing cancer immunotherapy with nanomedicine. In Nature Reviews Immunology (Vol. 20, Issue 5, pp. 321–334). Nature Research. https://doi.org/10.1038/s41577-019-0269-6 
• ​Jin, C., Wang, K., Oppong-Gyebi, A., & Hu, J. (2020). Application of nanotechnology in cancer diagnosis and therapy – A mini-review. International Journal of Medical Sciences, 17(18), 2964–2973. https://doi.org/10.7150/ijms.49801 
• ​Karewicz, A., Machowska, A., Kasprzyk, M., & Ledwójcik, G. (2021). Application of halloysite nanotubes in cancer therapy—A review. In Materials (Vol. 14, Issue 11). MDPI AG. https://doi.org/10.3390/ma14112943 
• ​Lin, M. M., Kim, D. K., El Haj, A. J., & Dobson, J. (2008). Development of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONS) for translation to clinical applications. In IEEE Transactions on Nanobioscience (Vol. 7, Issue 4, pp. 298–305). https://doi.org/10.1109/TNB.2008.2011864 
• ​Musielak, M., Piotrowski, I., & Suchorska, W. M. (2019). Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as a multifunctional tool in various cancer therapies. Reports of Practical Oncology and Radiotherapy, 24(4), 307–314. https://doi.org/10.1016/j.rpor.2019.04.002 
• ​Nelson, N., Port, J., & Pandey, M. (2020). Use of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIONs) via Multiple Imaging Modalities and Modifications to Reduce Cytotoxicity: An Educational Review. Journal of Nanotheranostics, 1(1), 105–135. https://doi.org/10.3390/jnt1010008 
• ​Pachuau, L. (2015). Recent developments in novel drug delivery systems for wound healing. In Expert Opinion on Drug Delivery (Vol. 12, Issue 12, pp. 1895–1909). Taylor and Francis Ltd. https://doi.org/10.1517/17425247.2015.1070143 
• ​Pietroiusti, A., Campagnolo, L., & Fadeel, B. (2013). Interactions of engineered nanoparticles with organs protected by internal biological barriers. In Small (Vol. 9, Issues 9–10, pp. 1557–1572). https://doi.org/10.1002/smll.201201463 
• ​Sahu, T., Ratre, Y. K., Chauhan, S., Bhaskar, L. V. K. S., Nair, M. P., & Verma, H. K. (2021). Nanotechnology based drug delivery system: Current strategies and emerging therapeutic potential for medical science. In Journal of Drug Delivery Science and Technology (Vol. 63). Editions de Sante. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2021.102487 
• ​Sung, Y. K., & Kim, S. W. (2020). Recent advances in polymeric drug delivery systems. In Biomaterials Research (Vol. 24, Issue 1). BioMed Central Ltd. https://doi.org/10.1186/s40824-020-00190-7 
• ​Talluri, S., & Malla, R. R. (2019). Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIONs) for Diagnosis and Treatment of Breast, Ovarian and Cervical Cancers. Current Drug Metabolism, 20(12), 942–945. https://doi.org/10.2174/1389200220666191016124958 
• ​Zhao, C. Y., Cheng, R., Yang, Z., & Tian, Z. M. (2018). Nanotechnology for cancer therapy based on chemotherapy. In Molecules (Vol. 23, Issue 4). MDPI AG. https://doi.org/10.3390/molecules23040826