Dr. Nanotech vs. Kræft

Hvis du er blandt den tredjedel af befolkningen, der en dag vil udvikle kræft, vil din krop indeholde advarselstegn i god tid før din læge er i stand til at diagnosticere sygdommen. Hvis disse subtile signaler i dine celler og din blodbane kun kunne opdages hurtigere, ville du have en langt større chance for at overleve. Problemet er, at de ændringer, der markerer de tidlige stadier af kræft, er bemærkelsesværdigt komplekse – og ofte små, selv på molekylært niveau.

Men James Heath, en fysisk kemiker ved California Institute of Technology, mener, at nanoteknologi endelig kunne give løsningen på denne molekylære gåde. Heath satser på, at banker af ultrasmå siliciumtråde, der hver er lavet til at opdage et specifikt kræftrelateret protein, kan opfange selv de mest subtile ændringer i vores krops kemi. De nanosensorer, som Heath og hans Caltech-kolleger udvikler, vil samtidig lede efter hundreder eller endda tusindvis af forskellige biomolekyler i f.eks. en dråbe blod. Hvis de virker, kan disse nanosensorer være grundlaget for kræfttests, der ikke kun er mere nøjagtige, men fordi de ikke involverer vævsprøvetagning og laboratorieanalyser, er de billigere og mere bekvemme end de nu tilgængelige.

Denne historie var en del af vores februar 2005-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det siger selvfølgelig ikke så meget. Screening for de fleste kræftformer forbliver primitiv, og involverer ofte simple fysiske undersøgelser for at finde tegn på tumorvækst eller rå billeddannelsesmetoder såsom mammografi og røntgen. Blodprøver findes for nogle få kræftformer, såsom prostata- og æggestokkræft, men deres ydeevne er sørgelig; ikke kun er de langsomme og dyre, men de er notorisk upålidelige. For at diagnosticere prostatakræft, for eksempel, søger læger efter et protein kaldet PSA (prostata-specifikt antigen) i blodet. Men kun 25 til 30 procent af mændene, der gennemgår den enormt stressende proces med at få vævsbiopsier på grund af høje PSA-niveauer i deres blod, har faktisk prostatakræft. PSA er altid i prostata, påpeger Heath, og sives hele tiden ud i blodet i små mængder. Når der er en form for traume i prostata - som kan være kræft eller noget andet - siver det ud i større mængder. Men det er en meget dårlig markør for tidligt stadie af prostatakræft, da der virkelig ikke er for meget traume i prostata på det tidspunkt.

En mere nøjagtig kræfttest ville bedre afspejle kompleksiteten af ​​biomolekylære hændelser. Heaths ambition er at konstruere enheder, der ikke kun kan foretage flere målinger på én gang, fra en dråbe blod eller nogle få celler taget fra et bestemt væv, men også kan detektere ekstremt små mængder af biomolekyler. Vi forsøger at udvikle en fingerstik-baseret test, forklarer han. Vi ser gerne, at denne test på sigt bliver noget, der svarer til det, der bruges til diabetikere. Diabetikere kan nu overvåge deres glukoseniveauer, og fordi de kan gøre det på regelmæssig basis, tager de kontrol over sygdommen. Vi vil gerne udvikle en tilsvarende muliggørende platform for kræft.

Slå puslespillet sammen
Kræftforskning kan virke som et usandsynligt sted for James Heath at være endt. Som kandidatstuderende ved Rice University i Houston i begyndelsen af ​​1980'erne begyndte han at studere egenskaberne af bittesmå bidder af materialer. Han var en del af holdet, der i 1985 opdagede det fodboldformede kulstofmolekyle C60; opdagelsen vandt Heaths professor, Richard Smalley, en nobelpris 11 år senere og var med til at lancere nutidens interesse for nanoteknologi. Men Heath flyttede senere sit fokus til halvledere, såsom silicium, der bruges af mikroelektronikindustrien, og ledte efter måder at omforme dem til stadigt mindre enheder. For nylig udtænkte han og samarbejdspartnere ved University of California, Santa Barbara, en metode til at lave siliciumtråde på blot et par nanometer brede, omkring ti gange mindre end de mindste funktioner i nutidens integrerede kredsløb.

Fremgangen var en milepæl i den fortsatte miniaturisering af elektronik. Og, siger Heath, vi håbede, at ved at løse et så vanskeligt problem, ville andre muligheder byde sig. Det gjorde de: Heath indså, at disse nanotråde også kunne tjene som ultrafølsomme biosensorer.

Han indså dog også, at det ikke ville være let at inkorporere nanotråde i et effektivt diagnostisk værktøj. Ændringer i en persons helbredstilstand afspejles i vilde udsving i koncentrationer af biomolekyler, når forskellige gener tænder og slukker. Men i løbet af de sidste mange år er genetikere og molekylærbiologer kommet til at indse, at gener generelt ikke handler uafhængigt. De har en tendens til at operere i grupper og netværk, og de kan regulere hinandens udtryk. Så at give mening med sygdoms molekylære fingeraftryk kræver en forståelse på systemniveau af, hvordan gener og proteiner arbejder sammen.

Det er her, Heaths samarbejdspartner, Leroy Hood, grundlægger af Institute for Systems Biology i Seattle, kommer ind i billedet. Systembiologer ser på cellen på samme måde som en elektroingeniør ser på et komplekst kredsløb: som et stærkt sammenkoblet system af komponenter, der tænder for hinanden og slukke- og relæsignaler. Heaths sensorer kan give tusindvis af ledetråde til en persons helbredstilstand, men Hoods systembiologiske tilgang er nødvendig for at samle alle disse informationer til et sammenhængende billede.

Hood og hans team har for eksempel set på, hvordan gener udtrykkes til at producere proteiner i celler og væv, der er ramt af prostatakræft. Vores idé, siger Hood, er, at forskellen mellem normale og syge celler er, at protein- og genregulerende netværk i syge celler er blevet forstyrret, og disse sygdomsforstyrrelser afspejles i ændrede mønstre af proteinekspression, som kontrolleres af netværkene. En brøkdel af disse forstyrrede proteiner vil finde vej ind i blodet og udgøre molekylære fingeraftryk, der ikke kun er diagnostiske for sundhed og sygdom, men for hvilken sygdom og hvilken type af en bestemt sygdom. (Der er mindst tre forskellige typer prostatacancer, for eksempel.)

Vi har identificeret 300 [cancermarkør] gener, der er unikt udtrykt i prostata, siger Hood, og vi forudser, at omkring 62 af disse kan udskilles i blodet. Vi testede en af ​​disse ved at lave antistoffer mod den og viste, at den kun var til stede i blodet hos patienter med prostatakræft. Hoods team tester nu yderligere fem prostatacancer-udskilte proteiner. Det har også fundet en lignende række af gener, der burde være diagnostiske for kræft i æggestokkene.

En flydende situation
Hvordan ville en nanosensor til at opdage sådanne proteiner helt præcist se ud? For at gøre en nanotråd til en transistor bringer forskerne hver af dens ender i kontakt med metaltråde, så en strøm kan føres igennem den. De placerer derefter en elektrode tæt på nanotråden. Opladning af denne elektrode ændrer ledningsevnen af ​​nanotråden, tænder og slukker den – alt velkendt for enhver elektrisk ingeniør.

Heath forvandler derefter sine nanotrådstransistorer til bittesmå biosensorer. Sig for eksempel, at en nanotråd skal fungere som en sensor for et bestemt protein. Forskerne belægger overfladen af ​​tråden med antistoffer, der vil klæbe til målproteinet, men ikke til andre molekyler. Når proteiner binder til antistofferne, interagerer de med elektronerne, der rejser i nanotrådens overfladelag, og ændrer dens ledningsevne. Hvis ledningen kun er nogle få nanometer tyk, er der en betydelig – og målbar – ændring i dens samlede ledningsevne. Hvis ledningen er virkelig, rigtig lille, siger Heath, i stedet for at sætte en spænding på den, kan vi sætte molekyler på den, og en kemisk hændelse er det, der får transistoren til at skifte.

Deres lille størrelse gør også enhederne meget følsomme. I sidste ende vil antallet af molekyler, der kræves for at producere en aflæsning, afhænge af, hvor tæt de binder til receptorgrupperne på sensoroverfladen; men det er måske muligt at påvise individuelle molekyler. Heath siger, at selvom hans gruppe endnu ikke har nået det niveau af følsomhed, er det lykkedes at detektere nogle få molekyler. (Charles Lieber fra Harvard University har i mellemtiden demonstreret nanosensorer, der kan detektere en enkelt viral partikel*).

Men det er ikke kun høj følsomhed, som Heath er afhængig af for nem og tidlig opdagelse af sygdom. Vi kan lave tusindvis af disse sensorer på et meget lille område, siger han. Dette betyder evnen til at screene det varierede molekylære indhold i individuelle celler. Heath samarbejder med Stanford Universitys mikrofluidikekspert Stephen Quake om at fremstille chips, hvor væsker, der pumpes ned i mikroskopiske kanaler, sender enkelte celler på plads over et nanosensorarray, hvor de kan studeres én ad gangen.

I sidste ende skal al denne teknologi integreres i en enhed, der kan bruges i klinikken, hvilket betyder at løse endnu flere tekniske og praktiske problemer. I 2003 etablerede Institute for Systems Biology, Caltech og University of California, Los Angeles, NanoSystems Biology Alliance for at sikre, at de nye værktøjer afspejler de seneste fremskridt inden for cancerbiologi og immunologi. Diagnosen af ​​kræft og andre sygdomme, siger Quake, vil blive udført automatisk på få sekunder eller minutter på blot en håndfuld celler eller deres indhold. Og den formodning, forudser han, vil blive til virkelighed inden for dette årti.

Philip Balls seneste bog hedder Kritisk masse: Hvordan én ting fører til en anden .

skjule