Un campo in crescita chiamato nanotecnologia consente ai ricercatori di manipolare molecole e strutture molto più piccole di una singola cellula per migliorare la nostra capacità di vedere, monitorare e distruggere le cellule tumorali nel corpo.

L'equipaggio della Proteus ha una disperata possibilità di salvare la vita di un uomo. Ridotto alle dimensioni di un grande batterio, il sottomarino contiene una squadra di scienziati e medici che corrono per distruggere un coagulo di sangue nel cervello di un disertore sovietico. Il gruppo viaggia attraverso il corpo, eludendo i globuli bianchi giganti e i minuscoli anticorpi mentre viaggiano attraverso il cuore, l'orecchio interno e il cervello per raggiungere e distruggere il blocco.

Sebbene gli eventi nel film Viaggio fantastico erano inverosimili quando fu pubblicato nel 1966, ora vengono realizzati ogni giorno nei laboratori di tutto il mondo, in particolare nel trattamento del cancro. Un campo in crescita chiamato nanotecnologia consente ai ricercatori di manipolare molecole e strutture molto più piccole di una singola cellula per migliorare la nostra capacità di vedere, monitorare e distruggere le cellule tumorali nel corpo.

Decine di migliaia di pazienti hanno già ricevuto farmaci chemioterapici somministrati da nanoparticelle chiamate liposomi, e dozzine di altri approcci sono attualmente in fase di sperimentazione clinica. Entro i prossimi 5-10 anni, I più grandi difensori del nostro corpo potrebbero essere più piccoli di quanto avremmo mai potuto immaginare.

'Squisita sensibilità e precisione'

"La nanotecnologia offre una sensibilità e una precisione squisita che è difficile eguagliare con qualsiasi altra tecnologia, " ha detto Sam Gambhir, dottore, dottorato di ricerca, professore e cattedra di radiologia presso la Scuola di Medicina. "Entro il prossimo decennio, la nanomedicina cambierà il percorso della diagnosi e del trattamento del cancro in questo paese".

Il campo ha alcuni grandi sostenitori:il National Cancer Institute ora spende circa 150 milioni di dollari ogni anno in ricerca sulle nanotecnologie e formazione per combattere la malattia; altri istituti e centri del National Institutes of Health spendono altri 300 milioni di dollari per la ricerca sulle nanotecnologie per il cancro e altri disturbi. E un'alleanza nazionale creata dall'NCI nel 2004 per riunire ricercatori dalla biologia all'informatica, dalla chimica all'ingegneria sta ora dando i suoi frutti, sotto forma di dozzine di studi clinici, nei campus e nelle aziende di tutto il paese, compresa Stanford.

"Ora possiamo rilevare solo poche molecole associate al cancro o cellule tumorali circolanti nel corpo in pochi millilitri di sangue o saliva, o mappare i confini di un tumore al cervello in millimetri per valutarne la risposta alla terapia o per pianificare un intervento chirurgico, " ha detto Gambhir. "Abbiamo appositamente progettato nanoparticelle in grado di inviare indietro un enormemente amplificato, segnale enorme quando si legano alle cellule tumorali nel colon, e stiamo lavorando su come attivare l'autoassemblaggio delle nanoparticelle quando entrano in una cellula cancerosa. Il settore è progredito enormemente negli ultimi 10-15 anni".

Gambhir, la Virginia e D.K. Ludwig Professor per la ricerca clinica nella ricerca sul cancro, co-dirige con Shan Wang lo Stanford Center for Cancer Nanotechnology and Excellence for Translational Diagnostics, finanziato dal NCI, dottorato di ricerca, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e di ingegneria elettrica.

La capacità di diagnosticare i primissimi segni di problemi è fondamentale per gli sforzi volti a fermare la malattia sul nascere prima che sorgano sintomi o complicazioni, che è una componente chiave di ciò che è noto come salute di precisione.

"La diagnosi precoce è assolutamente fondamentale, e richiede un tipo di approccio e una tecnologia completamente diversi da quelli su cui abbiamo fatto affidamento in passato, " ha detto Gambhir. "Senza nanomedicina, non avremmo la possibilità di raggiungere il nostro obiettivo principale:mantenere vuoti i nostri ospedali".

Una questione di scala

Allora, cosa c'è di così speciale nella nanotecnologia? Come puoi immaginare, è una questione di scala. Un nanometro è un miliardesimo di metro. Un capello umano è circa 100, 000 nanometri di diametro. Una cella media, circa 10, 000. Il Proteo, in Il viaggio fantastico, era circa 1, 000 nanometri di lunghezza, e gli anticorpi che hanno attaccato i suoi passeggeri erano di circa 10 nanometri.

Le nanoparticelle per uso medico sono definite come molecole o strutture non più grandi di circa 100 nanometri, di dimensioni paragonabili alle decine di migliaia di molecole del corpo che entrano ed escono dalle cellule intatte e si muovono in modo innocuo attraverso le pareti dei vasi sanguigni e nei tessuti. Come il Proteus e il suo equipaggio, possono cercare e interagire con le singole celle e il loro contenuto. Ma le regole di ingaggio sono cambiate, così come la possibile grandezza dell'effetto dei visitatori.

Molecole su scala nanometrica operano in un oscuro mondo sotterraneo dove le leggi della fisica oscillano ai margini di una galassia quantistica. Gli elettroni si comportano in modo strano su uno stadio così piccolo. Di conseguenza, le proprietà essenziali delle nanoparticelle, compreso il loro colore, punti di fusione, fluorescenza, conducibilità e reattività chimica, possono variare in base alla loro dimensione.

Le particelle su nanoscala hanno anche enormi quantità di superficie rispetto alle particelle più grandi. Un cubo d'oro con i lati lunghi 1 centimetro ha una superficie totale di 6 centimetri quadrati. Ma lo stesso volume riempito di nanosfere d'oro con diametri di 1 nanometro ha una superficie maggiore della metà di un campo da calcio.

Nanoparticelle "sintonizzate"

Ricercatori come Gambhir e i suoi colleghi hanno imparato a sfruttare molte di queste proprietà nelle loro ricerche per cercare e distruggere le cellule cancerose nel corpo, o per raccoglierli da un campione di sangue per ulteriori studi. Modificando la dimensione delle particelle, gli scienziati possono "sintonizzare" le nanoparticelle in modo che si comportino in modi specifici:colori diversi fluorescenti per scopi di imaging, Per esempio, o afferrare e poi rilasciare cellule cancerose per lo studio. Alcuni possono essere progettati per assorbire l'energia luminosa per alimentare minuscole vibrazioni acustiche che segnalano la presenza di un tumore o per rilasciare calore per uccidere le cellule dall'interno.

I ricercatori sfruttano anche la vasta area superficiale delle particelle, rivestendoli con anticorpi o proteine ​​che ospitano le cellule cancerose, o con molecole di segnalazione che vengono rilasciate a decine di migliaia quando viene localizzata una cellula cancerosa.

Gambhir crede che la nanotecnologia sarà particolarmente utile nella diagnosi precoce e nel trattamento. "Non è che le nostre terapie siano scadenti, è che le applichiamo troppo tardi, " ha detto. "La nanotecnologia ha il potenziale per rilevare e persino uccidere le cellule tumorali precoci presenti a centinaia o migliaia rispetto ai miliardi già presenti nei tumori attualmente diagnosticabili".

Lui e i suoi colleghi immaginano un giorno in un futuro non troppo lontano in cui i nanosensori saranno impiantati nei nostri corpi, o anche negli elettrodomestici come il wc, può avvisarci dei primi segni di difficoltà, spesso senza la nostra partecipazione cosciente. Egli paragona l'approccio a quello del pilotaggio di un aereo a reazione.

"Il motore di un aereo è costantemente monitorato, e le informazioni vengono inviate a un portale globale per diagnosticare i problemi in tempo reale, " ha detto. "Ci manca che in sanità oggi."

Ma forse non per molto.

'Ingoiare il dottore'

Il concetto di servitori medici in miniatura non è nuovo. Nel 1959, noto fisico Richard Feynman, dottorato di ricerca, discusso la possibilità di "inghiottire il dottore" in un discorso al California Institute of Technology, e i ricercatori britannici hanno realizzato per la prima volta il potenziale dei liposomi per la somministrazione di farmaci nel 1961. Queste sfere possono essere progettate per contenere farmaci idrosolubili al loro interno, mentre si allontana anche dall'idrofobia, o insolubile, farmaci nella loro membrana grassa. Un'attenta progettazione può portare a strutture a base di liposomi che forniscono più farmaci in rapporti precisi e ad alti livelli senza le tossicità che possono verificarsi quando si somministrano i farmaci senza queste strutture. Si accumulano naturalmente nel tessuto tumorale, oppure possono essere mirati a specifici tipi cellulari mediante l'aggiunta di anticorpi o altre molecole sulla loro superficie.

La tecnica è stata approvata per la prima volta dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti nel 1995 per somministrare il farmaco chemioterapico doxorubicina a pazienti con sarcoma di Kaposi correlato all'AIDS. Ora ci sono più di una dozzina di farmaci confezionati in liposomi sul mercato, and researchers have begun to explore ways to use other types of nanoparticles to deliver not just drugs, but also small RNA molecules to block the expression of specific genes, or a payload of radioactivity to kill the cell.

"From a practical perspective, nano-based techniques aren't the wave of the future. This is the now, " said Heather Wakelee, dottore, an associate professor of medicine at Stanford who focuses on the treatment of lung cancer patients. "And it's changing how we treat patients in the clinic."

Nanosensing technology

Researchers are working on technology for use outside the bodyto identify and characterize tumor cells present at minuscule levels in all manner of bodily fluids—tracking the course of a known disease or even pinpointing its inception long before symptoms arise.

Wakelee has worked with center co-director Wang to design a kind of "magnetic sifter" that quickly sorts cancer cells from normal blood, based on magnetic nanotags engineered to coat the cancer cells' surface. A key component of the technique is the ability to swiftly release the bound, living cells for further study. Another approach, also launched in Wang's lab, involves a magneto-nanosensor—a silicon-based chip smaller than a dime that can detect and quantify magnetic nanotags on cancer cells or cancer-associated DNA or protein molecules based on changes in the chip's external magnetic field.

This approach is being tested in clinical trials by MagArray, a company based in Milpitas, California, for its ability to detect multiple lung and prostate cancer biomarkers in patients' blood. Like other nanotechnology, it is exquisitely sensitive.

'Toward a simple blood draw'

These techniques may allow researchers to not just count the circulating tumor cells in a patient, but also to sequence cells' genomes or assess the levels of expression of cancer-associated proteins on their surfaces. Wakelee is also working with colleagues to develop ways to capture and sequence tumor DNA that circulates freely in the blood of cancer patients.

"We're looking for specific gene mutations that could change therapy, " she said. "In this way, we're moving away from invasive biopsies for our patients and toward a simple blood draw to learn more about an individual's specific cancer."

Gambhir is working to design gold and silica nanoparticles for use inside the body to detect colon cancer. Le particelle, which would be swallowed as pills, coat pockets of tumor cells that would normally be invisible during a colonoscopy, and can be visualized with a special endoscope designed by the team. The technique is under review by the FDA.

"Cancer is a very difficult disease to treat, and it's also difficult to diagnose early, " said Piotr Grodzinski, dottorato di ricerca, who directs the NCI's nanotechnology for cancer programs. "The alliance was created to bring together engineers and materials scientists, Per esempio, with biologists and oncologists to understand, primo, how nanoparticles interact with biological systems and, second, how they interact with cancer cells and what they can do to the tumor."

"Stanford, in the heart of Silicon Valley, is a unique place for this kind of technology to develop, " said Gambhir. "The collaborative atmosphere brings together people to solve specific problems in cancer diagnosis and detection."

The crew on the Proteus managed to band together to save the defector—in the nick of time, of course—escaping through a tear duct after destroying the blood clot in his brain just before ballooning back to normal size. Nanomedicine for future patients will likely be less fraught with urgency, but the outcome will be more important. After all, the patient could be you.