Slovenska raziskovalka z nanotehnologijo do bolj učinkovitega zdravljenja raka

Nanotehnologija se danes uporablja na mnogih področjih, kot so informacijska tehnologija, transport, energetika, živilstvo in okoljske znanosti. Velik preboj je spodbudil razvoj tehnike in instrumentov, ki omogočajo opazovanje in delo s tako majhnimi delci. Pravo revolucijo zdaj prinaša tudi na področje medicine, kjer se lahko uporablja za namen zdravljenja različnih bolezni, tudi raka.

Raziskavam bolj učinkovitih načinov za zdravljenje raka s pomočjo nanotehnologije se posveča raziskovalka Instituta Jožef Stefan Nina Kostevšek. Razvija posebne dostavne sisteme, ki bi zdravilne učinkovine pripeljali neposredno do rakavih celic, ne da bi pri tem poškodovali zdravo tkivo. S tem naslavlja enega ključnih izzivov pri zdravljenju raka.

Pot učinkovine do svoje tarče

Na poti zdravilne učinkovine do tarče, torej rakavih celic, stoji več različnih preprek, ki so tudi razlog za nizko akumulacijo zdravil v tarčnih celicah. "Prva ovira se pojavi že takoj, ko vbrizgamo zdravilno učinkovino v telo, torej v krvnem obtoku, kjer različne beljakovine in imunske celice to učinkovino prepoznajo kot tujek in jo izločijo iz telesa," je povedala Kostevšek. Učinkovine je zato treba najprej "zapakirati" na način, da jih imunski sistem ne zavrne, hkrati pa zagotoviti, da dovolj časa krožijo po krvnem obtoku ter s tem dosežejo tarčno tkivo.

Drugi izziv je kompleksno tumorsko mikrookolje, ki na različne načine onemogoča dostop zdravilnim učinkovinam do tumorskih celic. Kot tretji izziv pa morajo raziskovalci pretentati še endosome - celične organele, ki uničijo vse, kar je v celici nezaželenega - da nanozdravila ne zavržejo kot tujka, temveč ga sprostijo v celično citoplazmo.

Težave s sintetično nanotehnologijo

Kot je dejala Nina Kostevšek, se je pomemben preboj na tem področju zgodil že v 90. letih prejšnjega stoletja, ko je znanstvenikom uspelo zelo toksično zdravilo doxorubicin "zamaskirati" pred zavrnitvijo imunskega sistema. To so dosegli z vstavljanjem zdravila v membranski ovoj oz. liposomsko kapsulo s polietilen glikolom, magično molekulo, ki prepreči, da bi proteini v krvi nanodelce izločili iz krvnega obtoka.

Kljub temu so ljudje po širši uvedbi uporabe te metode začeli kazati stranske učinke oziroma razvili imunski odziv na tujo molekulo, zato je ta terapija izgubila svojo uporabnost. "Naša skupina, ki deluje na Odseku za nanostrukturne materiale na Institutu Jožefa Stefana, se zato želi umakniti od vsega sintetičnega in pripravlja dostavne sisteme iz telesu lastnih celic, eritrocitov," je pojasnila raziskovalka.

Trojanski konj v našem telesu

Eritrociti ali rdeče krvničke so specializirane celice, ki po krvi prenašajo plina kisik in ogljikov dioksid do vsake celice v človeškem telesu. Svoje raziskave so v eritrocite usmerili zaradi več dejavnikov. "Prvič, ker jih je najlažje izolirati iz telesa v velikih količinah, saj za dovolj veliko količino celic potrebujemo le en mililiter krvi. Najpomembnejša razlika pa je, da eritrociti nimajo lastnega jedra in DNK, kar pomeni, da ni strahu pred prenosom genetskega materiala iz enega posameznika na drugega," je povedala Kostevšek.

Hkrati so eritrociti naravni prenašalci snovi po človeškem telesu. Imajo tanko fosfolipidno membrano, ki jim omogoča prilagajanje velikosti in je prepustna za številne snovi.

V laboratoriju eritrocite izolirajo iz človeške krvi in jih postavijo v umetno okolje, v katerem so izpostavljeni osmotskemu šoku. Ta povzroči, da hemoglobin, ki zapolnjuje večino njihovega volumna, skozi pore v membrani zapusti celico ter tako naredi prostor za zdravilno učinkovino. Skozi te pore nato vstavijo zdravilne učinkovine in eritrocite vrnejo v okolje, ki je po fizikalno-kemijskih lastnostih podobnemu človeški krvi, da se pore ponovno zaprejo.

Tako pripravljene eritrocite raziskovalci prenesejo nazaj v telo, kjer jih imunski sistem in beljakovine prepoznajo kot eritrocite, čeprav se v notranjosti skriva povsem druga vsebina. Na ta način raziskovalci za vnos v telo pripravijo "trojanskega konja", ki potuje do svoje tarče.

Strahu pred stranskimi učinki ni

Nanotehnologija ima lahko, tako kot vsaka molekula, ki jo vnesemo v telo, določene stranske učinke, ki so odvisni od sestave in velikosti nanodelcev. Ravno zato na institutu poskušajo razviti metode, ki uporabljajo telesu lastne celice. "Strahu, da bi imunski sistem začel napadati lastne eritrocite, ni," je poudarila Kostevšek. "Vsi eritrociti imajo na površini določene markerje, ki povedo imunskim celicam, da naj jih ne odstranjujejo."

Celice si pri razlikovanju med tarčnim in zdravim tkivom pomagajo s fiziološkimi lastnostmi in različnimi receptorskimi molekulami na celični površini.

To prepoznavanje razlik med celicami izrablja t.i. aktivni način tarčenja, s katerim želijo raziskovalci nadomestiti neučinkovito pasivno tarčenje. Slednje je delovalo na podlagi različnih velikosti delcev in naključnega vstopa v celico. Rakaste celice imajo namreč zaradi večje potrebe po hranilnih snoveh večje membranske pore, zato lahko v njih vstopijo nanodelci veliki do 700 nanometrov, medtem ko lahko v zdrave celice vstopijo le delci manjših od desetih nanometrov.

"V primeru aktivnega tarčenja pa na nanodelce vežemo točno določene receptorske molekule, ki po principu ključ ključavnica prepoznajo bolj izražene molekule na površini rakastih celic, kar pomeni, da lahko učinkovine vstopijo le v njih. Vse to vodi do manj stranskih učinkov in večje koncentracije zdravila v tumorju," je še povedala Kostevšek.

Pri vsem tem morajo raziskovalci biti pazljivi še na različne antigene, ki jih vsebujejo eritrociti, na podlagi katerih jih ločimo v štiri glavne krvne skupine. Ljudje z A, B ali AB krvno skupino imajo v krvi ertrocite s specifičnimi antigeni, v krvni plazmi pa protitelesa za tuje antigene.

Da bi se izognili strjevanju krvi in drugim medicinskim zapletom ter uporabo dostavnega sistema omogočili čim več ljudem, raziskovalci največkrat uporabijo kri univerzalnega donorja s krvno skupino nič. Cilj raziskovalcev pa je, da bi v prihodnje uporabili kri vsakega posameznega pacienta ter zanj pripravili personalizirano zdravilo.

Iz tujine nazaj v Slovenijo

Nina Kostevšek se je v raziskave medicinske uporabe nanomaterialov usmerila že takoj po študiju na ljubljanski Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo. Svoje znanje je nato izpopolnjevala v različnih laboratorijih v Italiji in Veliki Britaniji. Leta 2019 je za svoje izstopajoče znanstveno delo v začetnih letih kariere prejela mednarodno nagrado "Wüthrich International Young Star Award".

Kljub uspehom v tujini se je vrnila v Slovenijo, kjer deluje še danes. Sama pravi, da "delo v Italiji, Veliki Britaniji, poteka podobno kot v Sloveniji, vendar je kakovost življenja pri nas vsekakor neprimerno boljša, predvsem ko pride do razmerja med delom in prostim časom." In to je tisto, kar jo je pripeljalo nazaj v domovino.