Αν ένας όγκος καταφέρει να εγκατασταθεί στον εγκέφαλο ενός οργανισμού, τότε - από την πλευρά του όγκου - έχει δράσει ιδιαίτερα έξυπνα. Διότι έχει κρυφτεί πίσω από ένα από τα πιο ισχυρά φράγματα που προστατεύουν τα βασικά όργανα του σώματος: τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό, ένα πολύ επιλεκτικό φίλτρο που επιτρέπει τη διέλευση μόνο συγκεκριμένων ουσιών. Τα περισσότερα φάρμακα δεν ανήκουν σε αυτές τις ουσίες. Για την ιατρική, το να βρεθεί μια αποτελεσματική χημειοθεραπεία για τους εγκεφαλικούς όγκους αποτελεί μεγάλη πρόκληση.
Τα τελευταία χρόνια, η ιατρική έρευνα βρήκε έναν πολλά υποσχόμενο υποστηρικτή: τη νανοτεχνολογία. Υλικά στη νανοκλίμακα μπορούν, μεταφορικά μιλώντας, να αναλάβουν τον ρόλο των ταχυμεταφορών που παραδίδουν δραστικές ουσίες στη ζητούμενη διεύθυνση. Καθώς τα νανοσωματίδια είναι απίστευτα μικρά - περίπου 500 φορές μικρότερα από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας - μερικά από αυτά μπορούν να περάσουν τα προστατευτικά φράγματα του σώματος, χωρίς να τα τραυματίσουν. Για να μείνουμε στο παράδειγμα των εγκεφαλικών όγκων: τα νανοσωματίδια θα μπορούσαν να μεταφέρουν χημειοθεραπευτικές ουσίες μέσω του αιματοεγκεφαλικού φραγμού στον εγκέφαλο, όπου μπορούν να καταπολεμήσουν τον όγκο.
Αναζήτηση του κατάλληλου νανοϋλικού
Ωστόσο, τα νανοσωματίδια, ανάλογα με την εργασία που πρέπει να εκτελέσουν, πρέπει να διαθέτουν
αυστηρά καθορισμένες ιδιότητες: Ανάλογα με το σχήμα, τη σύνθεση υλικού και το μέγεθος,
κατανέμονται διαφορετικά στο σώμα και συγκεντρώνονται σε διαφορετικά όργανα. Κατά συνέπεια,
πρέπει να ανακαλυφθεί ποια σωματίδια εκτελούν καλύτερα την εργασία τους, προκαλώντας
τουλάχιστον ανύπαρκτη ζημία. Μέχρι τώρα, οι ερευνητές χρησιμοποιούσαν ζωικά μοντέλα, κυρίως
ποντίκια, για να διερευνήσουν αυτά τα ερωτήματα: διοχέτευαν στα ποντίκια διάφορα νανοϋλικά και
ανέλυαν πώς αυτά κατανέμονταν στο σώμα των ποντικιών και ποιες παρενέργειες εμφάνιζαν. Αυτές οι
μελέτες σε ζώα δεν είναι μόνο δαπανηρές, χρονοβόρες και κοστοβόρες, αλλά και από ηθική άποψη
προβληματικές. Δεν είναι τυχαίο ότι η Ελβετική νομοθεσία για την προστασία των ζώων απαιτεί τον
περιορισμό του αριθμού των πειραμάτων σε ζώα στο απολύτως απαραίτητο.
Η ΤΝ-
ποντικίστρια με αποφασιστικό πλεονέκτημα
Η ερευνήτρια της Empa, Jimeng Wu, διδακτορική φοιτήτρια στα τμήματα «Νανοϋλικά στην Υγεία» και
«Τεχνολογία και Κοινωνία», ανέπτυξε συνεπώς ένα εικονικό ποντίκι στο οποίο μπορούν να
διενεργούνται αυτές οι δοκιμές πολύ εξοικονόμηση χρόνου με τη βοήθεια της ΤΝ. Για αυτό το
λεγόμενο φυσιολογικά βασισμένο φαρμακοκινητικό μοντέλο (PBPK-model) η Wu χρησιμοποίησε ως
βασικές πηγές υλικό από 18 μελέτες σε ποντίκια, δηλαδή δεδομένα από εμπειρίες διαφόρων
ερευνητικών ομάδων σε «πραγματικά» ποντίκια. Επιπλέον, ενσωμάτωσε στο μοντέλο της μια
στατιστική μέθοδο, την Bayesian ανάλυση με προσομοιώσεις Markov chain Monte Carlo.
Το αποτέλεσμα είναι ένα εικονικό ποντίκι, στο οποίο μπορούν να δοθούν - επίσης εικονικά - νανοσωματίδια. Ακολούθως, το μοντέλο υπολογίζει την κατανομή τους στο σώμα του ποντικιού με βάση τις ιδιότητές τους όπως το μέγεθος, την επικάλυψη και το φορτίο της επιφάνειας. Σε σύγκριση με ένα παραδοσιακό PBPK-μοντέλο, το οποίο είναι ρυθμισμένο για μια μόνο ουσία, το μοντέλο ΤΝ της Wu έχει ένα αποφασιστικό πλεονέκτημα: «Το μοντέλο μπορεί να προσαρμόσει τις παραμέτρους του στις μετρήσιμες ιδιότητες του εκάστοτε νανοσωματιδίου», εξηγεί η Jimeng Wu. Αυτή η ικανότητα του εργαλείου οφείλεται στο «πολυμεταβλητό γραμμικό μοντέλο αναδρομής», μια προσέγγιση της μηχανικής μάθησης.
Συμβολή στο «Ασφαλές και Βιώσιμο από τον Σχεδιασμό»
«Αυτό το υποστηριζόμενο από ΤΝ εργαλείο σάρωσης επιτρέπει στους ερευνητές να δοκιμάσουν
εικονικά, ποιο είδος νανοσωματιδίων είναι καταλληλότερο για μια συγκεκριμένη εργασία, πριν καν
κατασκευαστούν αυτά τα σωματίδια», εξηγεί η Jimeng Wu περαιτέρω. Αυτό δεν εξοικονομεί μόνο
χρόνο αλλά και χρήματα, αφού προσφέρει βοήθεια στη λήψη αποφάσεων πριν ξεκινήσει μια
κοστοβόρα κλινική μελέτη.
«Με αυτό το μοντέλο συνεισφέρουμε στην έννοια του «Ασφαλές και Βιώσιμο από τον Σχεδιασμό» (SSbD), προσθέτει ο Peter Wick, ο οποίος καθοδηγεί τη Jimeng Wu μαζί με τον συνεργάτη του Bernd Nowack στο διδακτορικό της. Διότι το εικονικό ποντίκι αυξάνει την ασφάλεια νέων υλικών ή θεραπειών πριν από την ανάπτυξή τους. Ωστόσο, ο ερευνητής της Empa επισημαίνει ότι το σύνολο δεδομένων με το οποίο το μοντέλο έχει εκπαιδευτεί μέχρι τώρα είναι ακόμη πολύ μικρό: Μέχρι τώρα, μόνο 18 «Διεπιστημονικές Εργασίες» ήταν διαθέσιμες, των οποίων η ποιότητα δεδομένων ήταν επαρκής. «Σε πολλές μελέτες, οι ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων νανοσωματιδίων δεν περιγράφονται επαρκώς», τονίζει. Ο στόχος είναι τώρα να τροφοδοτήσουμε το εικονικό ποντίκι με επιπρόσθετα δεδομένα μελετών και να επαληθεύσουμε για να αυξήσουμε την αξιοπιστία των προβλέψεων. «Το μακροπρόθεσμο στόχος μας είναι να επιταχύνουμε τη διαδικασία ανάπτυξης νανοϊατρικών υλικών μέχρι την εφαρμογή τους ως φάρμακο στον ασθενή ή την ασθενή και να αποφύγουμε όσο το δυνατόν περισσότερο τα πειράματα σε ζώα», τονίζει.
Χρήση του
μοντέλου για ανθρώπινη έρευνα
Το έργο της Jimeng Wu στο μέλλον θα επικεντρωθεί επίσης σε μια λεγόμενη «στρατηγική
γεφύρωσης», ώστε να μεταφέρει την αρχή του in silico μοντέλου της στην ανθρώπινη έρευνα.
Σκοπεύει να ενσωματώσει τις αρχές του εικονικού ποντικιού σε ένα ανθρώπινο PBPK μοντέλο. Σε
αντίθεση με τη ΤΝ-ποντικίστρια της, που υπολογίζει μόνο την κατανομή νανοσωματιδίων στο ήπαρ,
τα νεφρά, τους πνεύμονες και τον σπλήνα, ένα ανθρώπινο in silico μοντέλο θα μπορούσε επίσης να
χρησιμοποιηθεί για μελέτη ευαίσθητων στόχων οργάνων - για παράδειγμα, για να μελετήσει τον
βαθμό στον οποίο συγκεκριμένα νανοσωματίδια μπορούν να ξεπεράσουν τον αιματοεγκεφαλικό
φραγμό. Ακόμη και ο εισαγωγικός αναφερόμενος εγκεφαλικός όγκος δεν θα μπορούσε πια να νιώθει
ασφαλής πίσω από αυτό το φράγμα - τα νανοσωματίδια θα μπορούσαν να του παραδώσουν ένα
δέμα με μια στοχευμένη δόση χημειοθεραπείας.
Επικοινωνία με τα μέσα ενημέρωσης:
Mirjam Schwaller
Επικοινωνία
Τηλ. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch