Nanoteknik skapar nya möjligheter för att bekämpa sjukdomar – från leverans av läkemedel i smarta förpackningar till nanobotar som drivs av världens minsta motorer.

Kemoterapi gynnar väldigt många patienter men biverkningarna kan vara brutala.

När en patient injiceras med ett läkemedel mot cancer, tanken är att molekylerna ska söka upp och förstöra oseriösa tumörceller. Dock, relativt stora mängder måste administreras för att nå målet i tillräckligt höga koncentrationer för att vara effektiv. Som ett resultat av denna höga läkemedelskoncentration, friska celler kan dödas såväl som cancerceller, lämnar många patienter svaga, illamående och infektionskänslig.

Ett sätt som forskare försöker förbättra säkerheten och effektiviteten hos läkemedel är att använda ett relativt nytt forskningsområde känt som nanoterapi för att rikta läkemedelsleveransen bara till de celler som behöver det.

Professor Sir Mark Welland är chef för avdelningen för elektroteknik vid Cambridge. På senare år har hans forskning har fokuserat på nanoterapeutika, arbetar i samarbete med kliniker och industri för att utvecklas bättre, säkrare droger. Han och hans kollegor designar inte nya läkemedel; istället, de designar och bygger smarta förpackningar för befintliga läkemedel.

Nanoterapeutika finns i många olika konfigurationer, men det enklaste sättet att tänka på dem är så små, godartade partiklar fyllda med ett läkemedel. De kan injiceras på samma sätt som ett vanligt läkemedel, och transporteras genom blodomloppet till målorganet, vävnad eller cell. Vid denna tidpunkt, en förändring i den lokala miljön, såsom pH, eller användning av ljus eller ultraljud, gör att nanopartiklarna släpper sin last.

Verktyg i nanostorlek undersöks alltmer för diagnos, läkemedelstillförsel och terapi. "Det finns ett stort antal möjligheter just nu, och förmodligen mer kommer, det är därför det har varit så stort intresse, säger Welland. Genom att använda smart kemi och ingenjörskonst på nanoskala, droger kan "läras" att bete sig som en trojansk häst, eller att hålla elden tills precis rätt ögonblick, eller för att känna igen målet de letar efter.

"Vi försöker alltid använda tekniker som kan skalas upp – vi undviker att använda dyr kemi eller dyr utrustning, och vi har varit ganska framgångsrika i det, " tillägger han. "Genom att hålla nere kostnaderna och använda skalbara tekniker, vi har en mycket bättre chans att göra en framgångsrik behandling för patienter."

Under 2014, han och medarbetare visade att guldnanopartiklar kunde användas för att "smuggla" kemoterapiläkemedel in i cancerceller i glioblastoma multiforme, den vanligaste och mest aggressiva typen av hjärncancer hos vuxna, vilket är notoriskt svårt att behandla. Teamet konstruerade nanostrukturer som innehåller guld och cisplatin, ett konventionellt kemoterapiläkemedel. En beläggning på partiklarna gjorde att de attraherades av tumörceller från glioblastompatienter, så att nanostrukturerna band och absorberades i cancercellerna.

Väl inne, dessa nanostrukturer utsattes för strålbehandling. Detta fick guldet att frigöra elektroner som skadade cancercellens DNA och dess övergripande struktur, förbättra effekten av kemoterapiläkemedlet. Processen var så effektiv att 20 dagar senare, cellkulturen visade inga tecken på någon återupplivning, vilket tyder på att tumörcellerna hade förstörts.

Även om tekniken fortfarande är flera år borta från användning på människor, tester har börjat på möss. Wellands grupp arbetar med MedImmune, läkemedelsföretaget AstraZenecas forsknings- och utvecklingsavdelning för biologiska läkemedel, att studera läkemedels stabilitet och att utforma sätt att leverera dem mer effektivt med hjälp av nanoteknik.

"En av de stora fördelarna med att arbeta med MedImmune är att de förstår exakt vad kraven är för att ett läkemedel ska bli godkänt. Vi skulle lägga ner forskningslinjer där vi trodde att det aldrig skulle komma till punkten för godkännande av tillsynsmyndigheterna, ", säger Welland. "Det är viktigt att vara pragmatisk om det så att bara de tillvägagångssätt som har störst chans att arbeta på patienterna tas vidare."

Forskarna riktar sig också mot sjukdomar som tuberkulos (TB). Med finansiering från Rosetrees Trust, Welland och postdoktorn Dr Íris da luz Batalha arbetar tillsammans med professor Andres Floto vid institutionen för medicin för att förbättra effekten av TB-läkemedel.

Deras lösning har varit att designa och utveckla giftfria, biologiskt nedbrytbara polymerer som kan "fuseras" med TB-läkemedelsmolekyler. Eftersom polymermolekyler har en lång, kedjeliknande form, läkemedel kan fästas längs med polymerens ryggrad, vilket innebär att mycket stora mängder av läkemedlet kan laddas på varje polymermolekyl. Polymererna är stabila i blodomloppet och frigör de läkemedel som de bär när de når målcellen. Inne i cellen, pH sjunker, vilket gör att polymeren frisätter läkemedlet.

Faktiskt, polymererna fungerade så bra för TB-läkemedel att en annan av Wellands postdoktorala forskare, Dr Myriam Ouberaï, har bildat ett nystartat företag, Spirea, som samlar in medel för att utveckla polymererna för användning med onkologiska läkemedel. Ouberaï hoppas kunna etablera ett samarbete med ett läkemedelsföretag under de kommande två åren.

"Att designa dessa partiklar, ladda dem med droger och göra dem smarta så att de släpper sin last på ett kontrollerat och exakt sätt:det är en ganska teknisk utmaning, " tillägger Welland. "Den främsta anledningen till att jag är intresserad av utmaningen är att jag vill se något som fungerar på kliniken – jag vill se att något fungerar hos patienter."

Kan nanoteknik gå bortom terapi till en tid då nanomaskiner håller oss friska genom att patrullera, övervaka och reparera kroppen?

Nanomaskiner har länge varit en dröm för både forskare och allmänhet. Men att ta reda på hur man får dem att flytta har inneburit att de har stannat kvar i science fiction-området.

Men förra året, Professor Jeremy Baumberg och kollegor i Cambridge och University of Bath utvecklade världens minsta motor – bara några miljarddels meter i storlek. Det är biokompatibelt, kostnadseffektiv att tillverka, snabb att svara och energieffektiv.

Krafterna som utövas av dessa "ANT" (för att "aktivera nano-transduktorer") är nästan hundra gånger större än de för någon känd enhet, motor eller muskel. För att göra dem, små laddade partiklar av guld, bundna tillsammans med en temperaturkänslig polymergel, värms upp med laser. När polymerbeläggningarna driver ut vatten från gelén och kollapsar, en stor mängd elastisk energi lagras på en bråkdel av en sekund. Vid kylning, partiklarna springer isär och frigör energi.

Forskarna hoppas kunna använda denna förmåga hos ANTs för att producera mycket stora krafter i förhållande till deras vikt för att utveckla tredimensionella maskiner som simmar, har pumpar som tar på sig vätska för att känna av miljön och är tillräckligt små för att röra sig i vårt blodomlopp.

Arbetar med Cambridge Enterprise, universitetets kommersialiseringsarm, teamet i Cambridges Nanophotonics Center hoppas kunna kommersialisera teknologin för biotillämpningar av mikrofluidik. Arbetet finansieras av Engineering and Physical Sciences Research Council och European Research Council.

"Det pågår en revolution inom personlig sjukvård, och för det behöver vi sensorer inte bara på utsidan utan på insidan, " förklarar Baumberg, som leder ett tvärvetenskapligt strategiskt forskningsnätverk och forskarutbildningscenter inriktat på nanovetenskap och nanoteknik.

"Nanovetenskap driver detta. Vi bygger nu teknik som gör att vi till och med kan föreställa oss dessa framtider."