Nanotechnologie versus rakovina

PETR HENEBERG  |  Věda

Zatím sice ještě nedokážeme léčit pomocí nanorobotů plujících v našich žílách, ale už víme, jak molekuly léků dovedně „zabalit,“ aby se dostaly na správné místo.

Nanočástice, nanotechnologie, nanomateriály. Kdo by dnes o nich neslyšel. Nápady na jejich využití se v posledních letech množí jako houby po dešti. Obrovský pokrok umožňují kromě jiného i v medicíně, například právě v léčbě nádorového bujení.

Každý den umírá jen v samotném Česku na nádorová onemocnění přes 70 lidí. Podívejme se tedy, jak by nanotechnologie mohly tuto skutečnost změnit.

Jedním z nejslibnějších přínosů nanočástic je jejich využití jako nosičů látky, kterou chceme někam doručit. Slouží vlastně jako pošťáci zajišťující bezpečnou přepravu léčiva až k cílové buňce. Jejich využitím se daří zvyšovat účinnost již dříve známých látek.

Navázání léčiv na nanočástice umožňuje doručit dané látky ke specifi ckým cílovým buňkám, zatímco jiných si nanočástice ani nevšimne. Díky tomu se daří potlačovat řadu nepříjemných vedlejších efektů, které léčivo podávané samo o sobě často mívá.

Následuje samozřejmě větší pohodlí pacienta, který se podrobuje léčbě.

Polymerní nanočástice nanokapsle.

První léčivé nanočástice

V současné klinické praxi se již používá několik necílených léčiv založených na nanočásticích. Slovo „necílené“ znamená, že nanočástice léčivo neumí poslat na konkrétní místo, ale pomáhá jej doručit tím, že kolem účinné látky tvoří například tukový váček. Ten je důležitý zejména pro proniknutí větších molekul do buněk. Na rozdíl od malých molekul (jako je třeba voda) není řada léčiv schopna proniknout do buněk ani samovolnou difuzí, ani pomocí složitého systému transmembránových kanálů, které každá buňka na svém povrchu nese. Řešení spočívá právě v obalení léčiv tukovými váčky, které přinejmenším zajišťují dlouhodobou cirkulaci léčiva v krevním oběhu, a v lepším případě jsou schopny dokonce samovolně splynout s buněčnou membránou. Mezi necílená léčiva založená na nanočásticích patří dnes cytostatika Doxil a Daunoxome používaná při léčbě nádoru prsu a vaječníků, resp. při léčbě Kaposiho sarkomu, což je nádor virového původu objevující se u lidí s oslabenou imunitou, typicky u pacientů s AIDS.

Další generace

Úspěch s umístěním léčiv do tukových váčků vedl vědce ke zvýšení úsilí a k vyvinutí nejrůznějších nových typů polymerních nanočástic, které jsou v současnosti vesměs v pokročilé fázi klinických zkoušek na lidských dobrovolnících. Mají roztodivné názvy – polymerozomy, pevné polymerní částice, nanokapsle, dendrimery, polymerní micely atp. Modifi kace polymerních nanočástic umožňují ovlivňovat rychlost uvolňování léčiva z nanočástice, lze také měnit povrch nanočástic tak, aby se prodloužila doba pobytu částice v krevním řečišti, či naopak aby částice co nejrychleji splynula s cílovou buňkou. Podstatným vylepšením je, že lze redukovat výskyt částic v nežádoucích částech organismu nebo dokonce přímo zacílit částici na konkrétní buňky, které zodpovídají za danou nemoc či postižení.

Hlavním problémem použití nanočástic je, že bývají z těla rychle odstraňovány takzvanými fagocytujícími buňkami. To jsou buňky, které stráží náš organismus před invazí nežádoucích mikroorganismů a zároveň uklízejí pozůstatky odumřelých buněk.

Fagocytující buňky jsou velmi ostražité a rychle se snaží z těla injikované nanočástice odstranit.

Dochází k tomu převážně v játrech a slezině a celý proces trvá jen několik minut. Pro ošálení fagocytujících buněk obsahují polymerní nanočástice tzv. korónu. Jde o obal z hydrofi lních (vodu vážících) polymerů. Vesměs se k těmto účelům využívá látka známá jako PEG neboli polyetylenglykol. Pokud tvrdíte, že jste se s ní nikdy nesetkali, zajděte si do koupelny a zjistíte, že je složkou každého druhého krému či šamponu. Kromě oklamání fagocytů způsobuje přítomnost PEG na povrchu nanočástic také jejich stabilizaci.

Nanotechnologie a nádor

Jak nám mohou nanočástice pomoci v léčbě nádorů? Musíme si uvědomit, že valná většina pacientů trpících zhoubným bujením neumírá na samotný primární nádor – ten bývá v řadě případů poměrně jednoduché vyoperovat. Hlavním problémem je přítomnost metastáz, které nejenže se objevují často ve velkém množství ve zdánlivě nesouvisejících orgánech, ale navíc bývají odolnější k dnes používaným léčebným metodám.

Prvořadým cílem nově vyvíjených protinádorových léčebných postupů je tedy nejen léčba původního nádoru, ale i jeho metastáz a popřípadě i potlačení relapsu nemoci po ukončení léčby. Často se totiž stává, že několik málo nádorových buněk léčbu přežije a po čase – po několika měsících nebo až letech – obnoví nádor v plném rozsahu, ale daleko odolnější. Nejpodstatnější zdokonalení protinádorové léčby v posledních letech představují cílené nanočástice. Používané nanočástice musejí být větší než asi 10 nm, aby bylo zamezeno jejich rychlému vyloučení ledvinami. Zároveň je výhodné, pokud mají kladný náboj – čím větší, tím lepší. Zamezí se tím velké části nespecifi ckých interakcí s proteiny a buňkami. Takovéto částice je pak možno modifi kovat, aby se v těle zdržovaly po kratší či delší časový úsek. Změnou jejich velikosti a přidáním povrchových proteinů – směrovacích molekul – pak dosáhneme efektivního doručení do konkrétních orgánů, anebo lépe dokonce ke konkrétnímu typu buněk v jednotlivých orgánech. Některé jiné léčebné přístupy, například podávání konjugátů léčiva s protilátkami (které se specifi cky vážou na cílové buňky), mohou rovněž splňovat podobná minimální kritéria. Nicméně podávání nanočástic je předčí přinejmenším ve čtyřech směrech: Nanočástice mohou nést enormní množství léčiva. Například 70nm nanočástice může obsahovat až 2000 molekul siRNA (jednoho z možných obecných druhů léčiv), zatímco samotná protilátka může na sebe efektivně navázat při nejlepší vůli více něž 10 molekul stejného léčiva. Navíc obsah nanočástice neovlivňuje její zacílení (protože léčivo je vesměs umístěno uvnitř tukového váčku atp.), zatímco obalení protilátky léčivem může mít na její specifi tu nežádoucí vliv.

Nanočástice jsou dostatečně velké, aby mohly nést hned několik povrchových proteinů, které slouží jako směrovací molekuly k cílovým buňkám. Lze využít i výše zmíněné protilátky.

Přítomnost většího množství protilátek na povrchu nanočástice způsobuje výrazně efektivnější vazbu na cílovou buňku než přítomnost samotné jedné molekuly protilátky konjugované s léčivem. Nanočástice jsou dostatečně velké, aby mohly nést hned několik druhů léčiv najednou.

Může tedy docházet k současnému kontrolovanému podávání hned několika synergisticky působících léčiv. Nanočástice úspěšně obcházejí mechanismy rezistence na léčiva.

Do buněk totiž vesměs vstupují endocytózou – doslova splynou s buňkou – zatímco samotné léčivo používá ke vstupu do buněk většinou membránové kanály. Nádorové buňky však často mění jejich parametry tak, aby unikly protinádorové terapii. Jednoduše – když se to některé nádorové buňce povede, může se dále nekontrolovaně množit, zatímco ostatní léčivem zasažené buňky skomírají. Za čas máme nádor odolný proti použitému léčivu, neboť všechny nové buňky pocházejí z těch, které se s ním dokázaly nějakým způsobem vyrovnat.

Nanočástice proti nádorům

Dnes již existuje hned několik léčiv založených na nanočásticích, která se v protinádorové terapii již používají. Množství je jich navíc podrobováno klinickým zkouškám. Použití prvních z nich bylo schváleno již v polovině devadesátých let. Jde o tukové váčky, tzv. lipozomy, nesoucí uvnitř malé molekuly cytostatik. Jde například o již výše zmíněný Doxil užívaný při léčbě nádorů prsu a vaječníků. Doxil sice není schopen zajistit doručení léčiva až do buňky, ale obalení účinné látky 80–90 nm velkým tukovým váčkem alespoň prodlužuje dobu, po kterou je léčivo přítomno v krevním oběhu.

Roku 2005 americký Federální úřad pro potraviny a léčiva schválil použití dalších nanočástic. Šlo o lék zvaný Abraxane, což jsou nanočástice založené na jednom z nejběžnějších buněčných proteinů albuminu.

Na tyto částice je navázán paclitaxel, rostlinný alkaloid izolovaný původně z tisu. Mechanismem jeho působení je zabránění správného přenosu genetické informace k pólům dělící se buňky. Jde o 120 nm velké váčky, které se rozpouštějí při kontaktu s krví.

Výše uvedené dva přípravky byly necílené, nebylo možné zajistit jejich doručení výlučně na správné místo v organismu. Prvním cíleným nanoléčivem, které dosáhlo alespoň fáze klinických testů, se stal přípravek PK-2, jenž se vázal na jeden z receptorů jaterních buněk. Protože tento receptor je přítomen jak na povrchu zdravých, tak i nádorových buněk, PK-2 se akumuloval značně nespecifi cky. Klinické testy byly zastaveny pro nedostatečně přesné zacílení přípravku.

Od poloviny roku 2007 jsou v klinických zkouškách další tři cílená léčiva, nazvaná prozatímními krkolomnými názvy MBP-426, SGT-53 a CALAA-01. Každé z nich je založeno na jiném principu. V prvním případě jde o standardní léčivo ve formě chemikálie obalené tukovým váčkem a opatřené směrovacími molekulami. V druhém případě jde rovněž o tukový váček obsahující na svém povrchu specifi cké proteiny. Ve váčku ale není obsažena standardní chemická substance, nýbrž kružnicovitý úsek DNA kódující gen, který bývá častou příčinou vzniku nádorového bujení.

A konečně v třetím případě nejde už ani o váček, ale o cílený polymer, na jehož povrch jsou navázány molekuly siRNA blokující tvorbu nádor způsobujícího proteinu.

Zítřky nanomedicíny

Využití nanočástic v lékařství a v protinádorové terapii je prozatím jen ve svých počátcích.

Jeden ze zakladatelů tohoto oboru letos přirovnal pokroky vývojářů nanočástic k postupu dítěte z první do druhé třídy základní školy. Jsou tu již hmatatelné úspěchy, ale většinu jich máme nejspíš ještě před sebou.


RAPAMUNE

Rapamune patří mezi několik málo ofi ciálně schválených léčiv založených na nanotechnologiích. Jedná se o necílené orálně podávané nanokrystaly produktu půdní bakterie Streptomyces hygroscopicus objevené na Velikonočním ostrově (Rapa Nui – od toho Rapamune). Látka působí na protein regulující buněčný cyklus, a tím jej zastavuje.

Používá se zejména pro prevenci odhojení nejrůznějších transplantovaných orgánů. Objev Rapamunu má zajímavou historii. Vše začalo expedicí kanadských vědců na Velikonoční ostrov, kde sbírali vzorky rostlin a půdy. Expedice sdílela své půdní vzorky s laboratořemi farmaceutické firmy Ayerst (dnes Wyeth) v Montrealu, kde roku 1972 Suren Sehgal z těchto vzorků izoloval a charakterizoval nové antibiotikum. Identifi koval jej na základě potlačování růstu kultur hub, avšak záhy zjistil, že dané antibiotikum je schopno potlačovat i funkce lidského imunitního systému. Poslal vzorek této látky do amerického Národního ústavu pro výzkum rakoviny, odkud mu záhy dorazila odpověď, že vzorek má „fantastickou aktivitu“ proti nádorovému bujení. Priority managementu firmy Ayerst byly však jiné, vývoji léčiv založených na této látce nefandil, a po čase dokonce své laboratoře v Montrealu zcela uzavřel, propustil 95 % svého tamního personálu a malý zbytek přemístil do vzdáleného amerického Princetonu.

Nicméně Suren Sehgal se nevzdal a po výměně firemního managementu se mu roku 1987 podařilo výzkum znovu oživit a následně úspěšně dotáhnout do konce. Rapamune vydělal firmě miliardy dolarů a stojí například za dlouhým přežíváním pacientů po transplantaci ledvin, kterým umožňuje prožít nezřídka až desítky let relativně normálního života navíc.

NANOČÁSTICE ZASTAVUJÍ TVORBU NOVÝCH CÉV

Vědci z Washingtonovy univerzity v Saint Louis, MO, přišli nedávno se zajímavým řešením protinádorové terapie. Spočívá v podávání antibiotika fumagicin navázaného právě na nanočástice. Antibiotikum fumagicin je známo již delší dobu, izolováno bylo už roku 1953 z plísně Aspergillus fumigatus. Pro člověka je toto antibiotikum značně toxické, a proto bylo donedávna známo paradoxně spíše včelařům, kteří jej používali na léčbu infekce včelstev hmyzomorkou, z hospodářského hlediska druhým nejvýznamnějším zdravotním problémem včel. V Česku je dnes použití tohoto antibiotika pro léčbu včelstev zakázáno z důvodu možného přenosu do medu, nicméně jiné země, včetně např. USA, jej mají stále povoleno. Ale zpět k léčbě lidí. Fumagicin je u člověka schopen zastavit angiogenezi neboli tvorbu nových cév. A právě novotvorba cév má zásadní význam pro růst nádoru, neboť jen nádory do velikosti 1–2 mm3 mohou být vyživovány a zásobovány kyslíkem prostou difuzí. Pro další vývoj nádoru jsou nutné právě nové cévy. A jejich růstu fumagicin velmi efektivně zabraňuje. Jenže celá věc měla háček, protože fumagicin je zároveň velmi silným nervovým jedem. Nové řešení spočívá v obalení fumagicinu váčky o průměru přibližně 250 nanometrů a s olejnatým povrchem protkaným dvěma typy molekul – jedna z nich cílí nanočástice k proteinu vyskytujícímu se ve vysokých koncentracích v buňkách nově se tvořících cév. A druhá z nich je kovová substance, která slouží k detekci nanočástic při magnetické rezonanci. Když jsou nanočástice pacientovi vstříknuty do krevního oběhu, jsou inertní (nemají fumagicin na povrchu, ale uvnitř). Pokud se však dostanou do cév vyživujících nádor, navážou se na ně, tukový obal částice se sloučí s membránou buněk cévy a do buňky se vylije obsah nanočástice obsahující právě fumagicin. Vedlejší účinky fumagicinu jsou tím minimalizovány a protinádorový účinek antibiotika zachován. Metoda prozatím úspěšně prošla testy na zvířatech a nyní začínají klinické testy na prvních lidských dobrovolnících. Nanočástice zde slouží vlastně jako pošťáci zajišťující bezpečnou přepravu léčiva až k cílové buňce. Jedná se o orálně podávané nanokrystaly produktu půdní bakterie Streptomyces hygroscopicus objevené na Velikonočním ostrově. Jeden ze zakladatelů tohoto oboru letos přirovnal pokroky vývojářů nanočástic k postupu dítěte z první do druhé třídy základní školy.

Nejčtenější