Cancerforskare är inte blyga att använda nanoteknik. Deras arbete gör lovande framsteg i utvecklingen av säkrare och effektivare behandlingar. Och nu, ny utveckling på området gör att allmänheten kan hjälpa till genom crowdsourcing.

Cancer orsakar var fjärde dödsfall i USA, och uppskattningsvis 12,7 miljoner nya cancerfall diagnostiserades över hela världen 2008. Nuvarande behandlingar är långt ifrån idealiska. Till exempel, typiska kemoterapier sipprar ut ur blodströmmen efter injektion och sprids över hela kroppen. Läkemedlen är då fria att attackera alla påträffade celler - även friska - som orsakar betydande biverkningar.

Detta är uppenbarligen långt ifrån idealiskt. Bioingenjörer experimenterar därför med nanopartiklar som kan leverera läkemedel och diagnostik direkt till tumörer. Nanopartiklar är något större än droger:cirka fem till 500 nanometer, som är runt 100 till 10, 000 gånger mindre än ett människohår. Denna speciella storlek gör att de kan läcka ut från de stora porerna i tumörkärl, och ändå finnas kvar i blodströmmen i resten av kroppen. Som ett resultat, nanopartiklar kan passivt ackumuleras i tumörer samtidigt som de undviker frisk vävnad.

Nanopartiklar finns i olika storlekar, former och material. De kan laddas med läkemedel som frigörs på ett kontrollerat sätt och belagda med molekyler som gör att de kan interagera med sin omgivning. Några av dessa molekyler kan vara en signatur för att identifiera cancerceller på ett unikt sätt. Vid bindning, celler kan svälja nanopartiklar som sedan levererar sin last inuti cellen.

Det finns många sätt att designa en nanopartikel. Beroende på din design, nanopartikeln kommer att röra sig, känna och agera på olika sätt - precis som en robot. Kontroll är i utformningen av nanopartiklarna och deras interaktioner med miljön, snarare än någon intelligens inuti den. Med andra ord, att förändra nanopartikelns kropp kommer att förändra dess beteende:vi kallar det förkroppsligad intelligens.

Utmaningen är att förstå vilken nanopartikeldesign som kommer att förbättra behandlingsresultatet. Detta är ett svårt problem eftersom biljoner nanopartiklar interagerar i en tumör med miljontals celler. Att förutsäga och optimera beteendet hos alla dessa nanopartiklar i ett så komplext system är gissningsarbete i bästa fall.

Swarm Control

Som våra nanopartiklar, flockar fåglar, myrkolonier, celler och robotkollektiv kan uppvisa till synes komplexa svärmbeteenden när ett stort antal enkla agenter reagerar på lokal information. Vårt mål nu är att utforska hur nanopartiklar kan samarbeta, eller svärm, för att synergistiskt förbättra deras terapeutiska effekt.

Det senaste arbetet från Bhatia -laboratoriet vid MIT visar löften i denna riktning. Guldnanopartiklar skulle passivt ansamlas i tumören. Nanopartiklarna skulle sedan värmas upp med en laser, vilket orsakar skador på tumörvävnaden. Den andra vågen av nanopartiklar, konstruerad för att binda till den skadade vävnaden, skulle därför ackumuleras vid högre siffror där.

Med hjälp av en simulator som modellerar hur nanopartiklar interagerar med varandra och tumörmiljön, vi kan nu utforska sådana nanopartikelsvärmdesigner. I videoexemplet nedan, simulerade nanopartiklar som lämnar ett blodkärl (i rött) måste hitta en sällsynt cell (med en rosa kant) i tumörvävnaden.

Denna sällsynta cell kan ha en specifik mutation, och dess upptäckt kan hjälpa till att identifiera en cellficka som är resistent mot behandling. Genom att smart konstruera nanopartiklarna och hur de interagerar med sin miljö, vi kan markera direkta vägar från kärlen till cellen. I likhet med myror som bildar spår för att nå ditt picknickbord, dessa nanopartiklar fungerar genom att deponera och interagera med information i miljön.

Det finns många sådana tumörscenarier och svärmstrategier. Var och en tar tid att utforska och kräver stora mängder försök och fel. Också, varje problem är olika, gör det svårt att programmera en dator som automatiskt kan designa nanopartiklarna.

Crowdsourcing gör det därför möjligt för bioingenjörer och allmänheten att föreställa sig nya nanopartikelstrategier för behandling av cancer. Simulatorn som heter Nanodoc förutspår hur nanopartiklar beter sig i tumörer och är baserad på mångårig forskning. Förhoppningen är att människor som använder simulatorn kan hjälpa till att upptäcka nya, kreativa och effektiva nanopartikelstrategier som vi inte har tänkt på i labbet.

Denna berättelse publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/Inga derivat).