Det låter som en scen från en science fiction-roman – en armé av små beväpnade robotar som reser runt en människokropp, jaga maligna tumörer och förstöra dem inifrån.

Men forskning inom Nature Communications idag från University of California Davis Cancer Center visar att det inte är långt borta att det är ett realistiskt scenario. Lovande framsteg görs i utvecklingen av en multifunktionell antitumörnanopartikel som kallas "nanoporfyrin" som kan hjälpa till att diagnostisera och behandla cancer.

Cancer är världens största mördare. Under 2012, uppskattningsvis 14,1 miljoner nya cancerfall diagnostiserades och cirka 8,2 miljoner människor dog av cancer världen över.

Det här året, cancer överträffade hjärt -kärlsjukdomar för att bli den ledande dödsorsaken i Australien; 40, 000 australier dog i samband med cancer förra året. Det är inte konstigt att forskare utforskar all möjlig teknik för att effektivt och säkert diagnostisera och behandla sjukdomen.

Nanoteknik är en sådan revolutionerande cancerbekämpningsteknik.

Nanotech:en stor sak

En nanometer är en mycket liten längdenhet, bara en miljarddels meter. Nanoteknik handlar om att bygga upp otroligt små, strukturer på nanonivå för olika funktioner och tillämpningar.

En sådan nanopartikelbaserad applikation är utvecklingen av exakt cancerdiagnostiksteknik och säker, effektiv tumörbehandling. Det enda problemet är att nanopartiklar måste skräddarsys för specifika jobb. De kan vara tidskrävande och dyra att undersöka och bygga.

Så hur fungerar nanopartiklar? De kan tillverkas med hjälp av oorganiska eller organiska komponenter. Var och en har olika egenskaper:

• Oorganiska nanopartiklar har ofta unika egenskaper som gör dem användbara i applikationer som fluorescenssonder och magnetisk resonanstomografi tumördiagnoser;
• "Mjuka" organiska nanopartiklar är de bästa läkemedelsleverantörerna för tumörbehandling, på grund av deras biokompatibilitet, förmågan att vara kemiskt modifierad och deras läkemedelsladdningskapacitet. Några "mjuka" organiska nanoläkemedel inklusive Genexol-PM (paklitaxel-laddade polymera miceller), Doxil (liposomal doxorubicin) och Abraxane (paclitaxel-laddat humant serumalbumin nanoaggregat) har godkänts eller befinner sig i kliniska prövningar för behandling av cancer hos människor.

Den nya organiska nanopartikeln – nanoporfyrin – kan göra allt detta.

Ins och outs av nanoporfyrin

Nanoporfyrin är bara 20-30 nanometer stort. Om du vill bli teknisk, det är en självmonterad micell som består av tvärbindningsbara amfifila dendrimermolekyler som innehåller fyra porfyriner.

Om du vill bli mindre teknisk, det är en löst bunden grupp av molekyler (eller "miceller") med sina hydrofila ("vattenälskande") huvuden pekande utåt och deras hydrofoba ("vattenhatande") svansar pekar inåt. Varje molekyl innehåller organiska föreningar som kallas porfyriner. Porfyriner kan förekomma naturligt, den mest kända är heme, pigmentet i röda blodkroppar.

Nanoporphyrins lilla storlek ger den en inneboende fördel eftersom den kan uppslukas av och ackumuleras i tumörceller, där den kan agera på två nivåer:

1. På molekylnivå, nanoporphyrin kan hjälpa diagnosen genom att öka tumörvävnadens kontrast vid magnetisk resonanstomografi (MRI), positronemissionstomografi (PET) och dubbelmodal PET-MR. (På nytt, det här är lite tekniskt, men om du är intresserad, porfyrin fungerar som en ligand, som kelaterar med bildframkallande metalljoner såsom gadolinium (III) eller ⁶⁴koppar (II).)
2. på micellnivå, nanoporfyrin kan laddas med antitumörläkemedel för att döda malign vävnad. När den är aktiverad, till exempel, det kan generera värme för att "koka" tumörvävnaden, och släpp ut dödliga reaktiva syrearter (ROS) vid tumörställen.

Beväpnad och farlig (för tumörer)

Funktionella nanopartikelprocesser kan likna de för en beväpnad nanorobot. Till exempel, när en tumörigenkänningsmodul är installerad i en leverans nanorobot (organisk partikel), de beväpnade drogladdade nanorobotpartiklarna kan rikta in sig på och leverera läkemedlet till tumörvävnad. De dödar bara dessa celler, samtidigt som det är ofarligt för omgivande friska celler och vävnader.

Om en tumörigenkänningsmodul är installerad i en sond nano-robot (oorganisk partikel), de beväpnade nanorobotpartiklarna kan komma in i tumörvävnad och aktivera en mätbar signal för att hjälpa läkare att bättre diagnostisera tumörer.

Det har varit en stor utmaning att integrera dessa funktioner på en nanopartikel. Det är svårt att kombinera bildfunktioner och ljusabsorberande förmåga för fototerapi i organiska nanopartiklar som läkemedelsbärare. Detta har, tills nu, hämmade utvecklingen av smarta och mångsidiga "allt-i-ett" organiska nanopartiklar för tumördiagnos och behandling.

Produktionen av nanoporfyrin är en effektiv strategi i utvecklingen av multifunktionella, integrerade nanopartiklar. Samma strategi skulle kunna användas för att vägleda ytterligare mångsidiga nanopartikelplattformar för att minska kostnaderna för nanomedicin, utveckla personliga behandlingsplaner och producera självutvärderande nanoläkemedel.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).