Nanocząsteczki inspirowane naturą w diagnostyce i leczeniu nowotworów
Rak pozostaje poważnym globalnym wyzwaniem zdrowotnym, co powoduje, że ciągłe potrzebne są bardziej precyzyjne, elastyczne i zrównoważone narzędzia diagnostyczne i terapeutyczne. Konwencjonalna produkcja nanocząstek często bazuje na agresywnych substancjach chemicznych i procesach energochłonnych. Ponadto, wykorzystanie nanomateriałów w zastosowaniach medycznych wymaga starannej kontroli ich wielkości, składu i zachowania biologicznego.
Wzorowanie się na przyrodzie
Bakterie magnetotaktyczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wytwarzają w łagodnych warunkach biologicznych wysoce jednolite kryształy magnetyczne zwane magnetosomami. Wyspecjalizowane białka kontrolują ich skład, rozmiar i kształt, stanowiąc przykład precyzyjnego tworzenia minerałów bez ekstremalnych warunków często związanych z konwencjonalną syntezą. Dzięki wsparciu programu działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w ramach projektu ProteNano-MAG podjęto badania nad tym, w jaki sposób bakterie magnetotaktyczne w naturalny sposób wytwarzają nanocząstki magnetyczne oraz czy można je wykorzystać do opracowania bardziej ekologicznej metody obrazowania i terapii nowotworów. „Natura pokazuje, że wytwarzanie wysoce zaawansowanych nanomateriałów niekoniecznie wymaga agresywnych procesów chemicznych lub ekstremalnych warunków”, wyjaśnia pracownik naukowy Lourdes Marcano, obecnie adiunkt na Uniwersytecie w Oviedo. Zamiast wykorzystywać bakterie bezpośrednio jako fabryki produkcyjne, zespół projektu ProteNano-MAG zaadaptował elementy ich mechanizmów związanych z tworzeniem magnetosomów. Naukowcy zaprojektowali białka(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zawierające miejsca, które koordynują żelazo i kierują tworzeniem się nanocząstek. Podejście to umożliwiło kontrolowaną syntezę nanohybryd na bazie żelaza w łagodniejszych warunkach, co doprowadziło do zademonstrowania potencjału białek modyfikowanych genetycznie jako regulowanych matryc do wytwarzania materiałów magnetycznych.
Od nanocząstek magnetycznych do teranostyki raka
Jednym z długofalowych celów nanomedycyny jest stworzenie powtarzalnych nanostruktur, których właściwości można by projektować pod kątem konkretnego zastosowania. Otrzymane w ten sposób materiały zostały zbadane pod kątem zastosowań łączących diagnostykę i leczenie, znanych jako teranostyka. Zespół projektu ProteNano-MAG skupił się na małych nanohybrydach tlenku żelaza i białka, w tym na strukturach o wielkości około 5 nm, które mogą znaleźć zastosowanie w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego oraz w terapii nowotworów. Nanocząstki magnetyczne mogą wytwarzać ciepło pod wpływem pola magnetycznego przemiennego, a właściwość tę można wykorzystać w hipertermii magnetycznej w celu zniszczenia komórek nowotworowych. Oprócz podstawowych prac prowadzonych w projekcie ProteNano-MAG Marcano brał również udział w badaniach analizujących, w jaki sposób morfologia nanocząstek i ich właściwości magnetyczne wpływają na wytwarzanie ciepła w zmiennych polach magnetycznych, co może mieć znaczenie dla skuteczności terapeutycznej. „Dysponując materiałami modułowymi, których rozmiar, właściwości magnetyczne, elementy celujące lub funkcjonalność terapeutyczna mogą być dostosowywane, moglibyśmy ostatecznie projektować platformy dostosowane do konkretnych potrzeb klinicznych”, mówi Marcano. Wspólne badania nad bakteriami magnetotaktycznymi dostarczyły również nowych wiadomości dotyczących zależności(odnośnik otworzy się w nowym oknie) między morfologią nanocząstek, anizotropią magnetyczną i wydajnością ogrzewania.
Tworzenie zrównoważonej nanomedycyny
W projekcie ProteNano-MAG potwierdzono słuszność koncepcji wykorzystania zmodyfikowanych białek w celu wspierania bardziej ekologicznej syntezy nanocząstek magnetycznych. Połączenie funkcji obrazowania i terapeutycznych mogłoby ostatecznie przyczynić się do powstania bardziej ukierunkowanych strategii leczenia, choć przed wprowadzeniem takich zastosowań do praktyki klinicznej konieczne są jeszcze szeroko zakrojone badania i walidacja. Kolejne etapy będą dotyczyły poprawy powtarzalności i skalowalności. Naukowcy przeprowadzą także bardziej szczegółowe badania dotyczące stabilności, biokompatybilności, toksyczności, biodystrybucji oraz skuteczności terapeutycznej. Bioinspirowane podejście opracowane w ramach projektu wpisuje się również w szersze wysiłki na rzecz zmniejszenia wpływu produkcji zaawansowanych materiałów na środowisko. Przekładając zasady obserwowane w przyrodzie na kontrolowane systemy syntetyczne, projekt ProteNano-MAG pokazuje, w jaki sposób nanotechnologia, inżynieria białkowa i biomedycyna mogą wspólnie pozwolić na poszukiwanie bardziej zrównoważonych dróg rozwoju przyszłych technologii onkologicznych.
