Ett växande område som kallas nanoteknik tillåter forskare att manipulera molekyler och strukturer mycket mindre än en enda cell för att förbättra vår förmåga att se, övervaka och förstöra cancerceller i kroppen.

Besättningen på Proteus har en desperat chans att rädda en mans liv. Krympt till storleken på en stor bakterie, ubåten innehåller ett team av forskare och läkare som tävlar för att förstöra en blodpropp i hjärnan på en sovjetisk avhoppare. Gruppen reser genom kroppen, undvika gigantiska vita blodkroppar och små antikroppar när du reser genom hjärtat, innerörat och hjärnan för att nå och förstöra blockeringen.

Även om händelserna i filmen Fantastisk resa var långsökta när den släpptes 1966, de förverkligas nu varje dag i labb runt om i världen, särskilt vid cancerbehandling. Ett växande område som kallas nanoteknik tillåter forskare att manipulera molekyler och strukturer som är mycket mindre än en enda cell för att förbättra vår förmåga att se, övervaka och förstöra cancerceller i kroppen.

Tiotusentals patienter har redan fått kemoterapiläkemedel som levereras av nanopartiklar som kallas liposomer, och dussintals andra metoder är för närvarande i kliniska prövningar. Inom de närmaste fem till tio åren, våra kroppars största försvarare kan vara tunnare än vi någonsin kunnat föreställa oss.

"Utsökt känslighet och precision"

"Nanoteknik erbjuder en utsökt känslighet och precision som är svår att matcha med någon annan teknik, "sa Sam Gambhir, MD, PhD, professor och ordförande i radiologi vid Medicinska institutionen. "Inom det kommande decenniet, nanomedicin kommer att ändra vägen för cancerdiagnos och behandling i detta land. "

Fältet har några stora stödjare:National Cancer Institute spenderar nu cirka 150 miljoner dollar varje år på nanoteknologisk forskning och utbildning för att bekämpa sjukdomen; andra institut och centra vid National Institutes of Health spenderar ytterligare 300 miljoner dollar på nanoteknologisk forskning för cancer och andra sjukdomar. Och en nationell allians som skapades av NCI 2004 för att sammanföra forskare från biologi till datavetenskap till kemi till teknik bär nu frukt - i form av dussintals kliniska prövningar - på campus och företag över hela landet, inklusive Stanford.

"Vi kan nu upptäcka bara några få cancerassocierade molekyler eller cirkulerande tumörceller i kroppen på bara några milliliter blod eller saliv, eller kartlägga gränserna för en hjärntumör inom millimeter för att bedöma dess svar på terapi eller för att planera en operation, ", sa Gambhir. "Vi har specialdesignat nanopartiklar som kan skicka tillbaka en massivt förstärkt, jättestor signal när de binder till cancerceller i tjocktarmen, och vi arbetar med sätt att utlösa självmontering av nanopartiklar när de kommer in i en cancercell. Fältet har utvecklats enormt under de senaste 10 till 15 åren."

Gambhir, Virginia och D.K. Ludwig professor för klinisk undersökning av cancerforskning, leder det NCI-finansierade Stanford Center for Cancer Nanotechnology and Excellence for Translational Diagnostics tillsammans med Shan Wang, PhD, professor i materialvetenskap och teknik och i elektroteknik.

Förmågan att diagnostisera de allra tidigaste tecknen på problem är avgörande för ansträngningarna att stoppa sjukdomen i dess spår innan symtom eller komplikationer uppstår - vilket är en nyckelkomponent i vad som kallas precisionshälsa.

"Tidig diagnos är helt avgörande, och kräver en helt annan typ av tillvägagångssätt och teknik än vi tidigare har åberopat, " sa Gambhir. "Utan nanomedicin, vi skulle inte ha en chans att uppnå vårt primära mål:att hålla våra sjukhus tomma."

En fråga om skala

Så vad är det som är så speciellt med nanoteknik? Som du kanske gissar, det är en skala. En nanometer är en miljarddels meter. Ett människohår är ungefär 100, 000 nanometer i diameter. En genomsnittlig cell, ca 10, 000. Proteus, i Den fantastiska resan, var ca 1, 000 nanometer lång, och antikropparna som attackerade dess passagerare var cirka 10 nanometer stora.

Nanopartiklar för medicinskt bruk definieras som molekyler eller strukturer som inte är större än cirka 100 nanometer – jämförbara i storlek med de tiotusentals molekyler i kroppen som glider in och ut ur intakta celler och vickar ofarligt genom blodkärlsväggar och in i vävnader. Liksom Proteus och dess besättning, de kan söka upp och interagera med enskilda celler och deras innehåll. Men reglerna för engagemang har förändrats, liksom den möjliga storleken på besökarnas effekt.

Molekyler på nanometerskalan verkar i en mörk nederdel där fysikens lagar vacklar vid kanten av en kvantgalax. Elektroner beter sig konstigt på en så liten scen. Som ett resultat, nanopartiklarnas väsentliga egenskaper, inklusive deras färg, smältpunkter, fluorescens, konduktivitet och kemisk reaktivitet, kan variera beroende på storlek.

Partiklar i nanoskala har också enorma mängder ytarea jämfört med större partiklar. En kub av guld med sidor 1 centimeter lång har en total yta på 6 kvadratcentimeter. Men samma volym fylld med guld nanosfärer med diametrar på 1 nanometer har en yta som är större än en halv fotbollsplan.

"Tuning" nanopartiklar

Forskare som Gambhir och hans kollegor har lärt sig att utnyttja många av dessa egenskaper i sina strävan att söka efter och förstöra cancerceller i kroppen, eller att samla in dem från ett blodprov för vidare studier. Genom att ändra storleken på partiklarna, forskarna kan "ställa in" nanopartiklarna för att bete sig på specifika sätt - fluorescerande varierande färger för bildändamål, till exempel, eller ta tag i och sedan släppa cancerceller för studier. Vissa kan konstrueras för att absorbera ljusenergi för att driva små akustiska vibrationer som signalerar närvaron av en tumör eller för att frigöra värme för att döda cellerna inifrån.

Forskare utnyttjar också partiklarnas stora yta, belägga dem med antikroppar eller proteiner som hem till cancerceller, eller med signalmolekyler som frigörs i tiotusentals när en cancercell lokaliseras.

Gambhir tror att nanoteknik kommer att vara särskilt användbart vid tidig diagnos och behandling. "Det är inte så att våra terapier är dåliga - det är att vi tillämpar dem för sent, " sade han. "Nanoteknik har potential att upptäcka och till och med döda tidiga cancerceller som finns i hundratals eller tusentals jämfört med de miljarder som redan finns i för närvarande diagnoserbara tumörer."

Han och hans kollegor tänker sig en dag i en inte alltför avlägsen framtid när nanosensorer implanteras i våra kroppar, eller till och med i hushållsapparater som toaletten, kan uppmärksamma oss på de första tecknen på problem – ofta utan vårt medvetna deltagande. Han jämför metoden med att lotsa ett jetflygplan.

"Ett flygplans motor övervakas ständigt, och information skickas till en global portal för att diagnostisera problem i realtid, "sa han." Det saknar vi inom vården idag. "

Men kanske inte så länge.

"Svelger läkaren"

Begreppet miniatyrmedicinska minions är inte nytt. 1959, noterade fysikern Richard Feynman, PhD, diskuterade möjligheten att "svälja doktorn" i ett tal vid California Institute of Technology, och brittiska forskare insåg först liposomernas potential för läkemedelstillförsel 1961. Dessa sfärer kan konstrueras för att innehålla vattenlösliga läkemedel i deras inre, samtidigt som den ekorrar bort hydrofob, eller olöslig, droger i deras fettmembran. Noggrann konstruktion kan resultera i liposombaserade strukturer som levererar flera läkemedel i exakta förhållanden och vid höga nivåer utan de toxiciteter som kan uppstå när läkemedlen ges utan dessa strukturer. De ackumuleras naturligt i tumörvävnad, eller kan riktas mot specifika celltyper genom tillsats av antikroppar eller andra molekyler till deras yta.

The technique was first approved by the U.S. Food and Drug Administration in 1995 to deliver the chemotherapy drug doxorubicin to patients with AIDS-related Kaposi's sarcoma. There are now more than a dozen liposomally packaged drugs on the marketplace, 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, MD, 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, Kalifornien, 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. The particles, 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, PhD, who directs the NCI's nanotechnology for cancer programs. "The alliance was created to bring together engineers and materials scientists, till exempel, with biologists and oncologists to understand, first, how nanoparticles interact with biological systems and, andra, 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. Trots allt, the patient could be you.