Fabryka na chipie: jak inżynierowie z MIT drukują nanocząsteczki do walki z rakiem

Tradycyjna chemioterapia to broń o ogromnej sile rażenia, ale często przypomina bombardowanie – niszczy nie tylko komórki nowotworowe, ale także zdrowe tkanki, prowadząc do wyniszczających skutków ubocznych. Od dekad marzeniem onkologii jest stworzenie „inteligentnego pocisku”, który precyzyjnie trafi w guz, oszczędzając resztę organizmu. Dziś, dzięki nanotechnologii, to marzenie staje się rzeczywistością. Mówimy o nanocząsteczkach – miniaturowych nośnikach, które mogą dostarczyć lek bezpośrednio do celu. Problem? Stworzenie tych zaawansowanych terapeutyków było dotąd niezwykle powolne i żmudne, co hamowało ich drogę z laboratorium do kliniki. 

Nanocząsteczki warstwa po warstwie – molekularne kanapki do walki z rakiem

W ciągu ostatniej dekady laboratorium profesor Pauli Hammond z MIT opracowało unikalną technologię tworzenia nanocząsteczek, która przypomina przygotowywanie niezwykle skomplikowanej kanapki lub cebuli. Proces ten, znany jako montaż warstwa po warstwie (layer-by-layer assembly), polega na naprzemiennym nakładaniu na rdzeń nanocząsteczki cienkich warstw polimerów o przeciwnych ładunkach (dodatnim i ujemnym).

Każda z tych warstw może pełnić inną funkcję:

• Ładunek terapeutyczny: W poszczególnych warstwach można umieścić leki przeciwnowotworowe.

• Inteligentne uwalnianie: Warstwy zewnętrzne mogą być zaprojektowane tak, aby rozpadały się i uwalniały lek dopiero w kwaśnym środowisku guza.

• Precyzyjne celowanie: Na powierzchni można umieścić cząsteczki „naprowadzające” (np. przeciwciała), które rozpoznają i wiążą się wyłącznie z komórkami nowotworowymi.

Takie nanocząsteczki wykazały ogromną skuteczność w badaniach na mysich modelach raka jajnika. Jednak ich produkcja była największym wąskim gardłem.

Problem: od ręcznej pracy do fabryki na chipie

Dotychczasowy proces tworzenia nanocząsteczek warstwowych był niezwykle pracochłonny. Po nałożeniu każdej pojedynczej warstwy polimeru, cała partia cząsteczek musiała być oczyszczana (np. poprzez wirowanie), aby usunąć nadmiar niewiążącego się materiału. Był to proces powolny, podatny na błędy i praktycznie niemożliwy do przeskalowania na potrzeby badań klinicznych, a tym bardziej masowej produkcji.

Naukowcy z MIT, poszukując rozwiązania, zwrócili się ku technologii mikroprzepływów. Zaprojektowali system, w którym nanocząsteczki przepływają w sposób ciągły przez sieć miniaturowych kanalików na specjalnym chipie.

Jak to działa?

1. Ciągły przepływ: Zamiast przetwarzać jedną partię na raz, nanocząsteczki płyną nieprzerwanie przez urządzenie.

2. Sekwencyjne dodawanie warstw: W kolejnych punktach mikrokanalików do strumienia dodawane są precyzyjnie odmierzone ilości polimerów tworzących kolejne warstwy.

3. Eliminacja etapu oczyszczania: Kluczem do sukcesu jest dokładne obliczenie, ile polimeru jest potrzebne do pokrycia nanocząsteczek na danym etapie. Dzięki temu nie ma nadmiaru materiału, a kosztowne i czasochłonne etapy separacji między nakładaniem kolejnych warstw stają się zbędne.

Ta innowacja to nie tylko przyspieszenie procesu. To fundamentalna zmiana, która umożliwia produkcję zgodną z Dobrą Praktyką Produkcyjną (GMP – Good Manufacturing Practice). Są to rygorystyczne standardy wymagane przez agencje regulacyjne (takie jak FDA), które gwarantują bezpieczeństwo, czystość i powtarzalność każdej partii leku. Poprzednia, ręczna metoda nigdy nie mogłaby sprostać tym wymogom w opłacalny sposób.

Wyniki, które mówią same za siebie

Nowa technika mikroprzepływowa przyniosła spektakularne rezultaty:

• Szybkość: Wyprodukowanie 15 miligramów nanocząsteczek (ilość wystarczająca na około 50 dawek terapeutycznych dla myszy) zajmuje teraz kilka minut, podczas gdy wcześniej wymagało to blisko godziny.

• Skalowalność: Aby wyprodukować więcej materiału, wystarczy po prostu dłużej uruchomić urządzenie – proces jest w pełni zautomatyzowany i łatwy do skalowania.

• Skuteczność biologiczna: Aby potwierdzić, że nowa metoda nie wpływa na jakość produktu, naukowcy stworzyli nanocząsteczki zawierające interleukinę-12 (IL-12). Jest to cytokina, czyli białko stymulujące układ odpornościowy do walki z rakiem. Cząsteczki wyprodukowane nową metodą wykazały identyczną skuteczność w spowalnianiu wzrostu guza jajnika u myszy, co te stworzone starą, pracochłonną techniką. W niektórych przypadkach leczenie doprowadziło nawet do całkowitego wyleczenia.

Co dalej? Od raka jajnika po guzy mózgu

Technologia została już zgłoszona do opatentowania, a naukowcy, przy wsparciu Deshpande Center for Technological Innovation w MIT, rozważają założenie firmy w celu jej komercjalizacji. Choć początkowe badania skupiały się na nowotworach jamy brzusznej, takich jak rak jajnika, potencjał tej metody jest znacznie szerszy. Zespół widzi jej zastosowanie również w leczeniu innych, niezwykle trudnych nowotworów, w tym glejaka wielopostaciowego, jednego z najbardziej śmiertelnych guzów mózgu.

Przełom w produkcji to przełom w badaniach. Dzięki możliwości szybkiego i taniego tworzenia dużych ilości nanocząsteczek, naukowcy mogą teraz testować setki różnych kombinacji leków i cząsteczek celujących, co dramatycznie przyspieszy odkrywanie nowych, skuteczniejszych terapii onkologicznych.