Nanomedicin har potential att ge effektivare mediciner med färre biverkningar. Vägen dit är kantad av utmaningar.
Text & foto: Nicklas Hägen
Inom nanomedicin är det storleken som avgör. Det som är specifikt för hela fältet är nämligen att vi pratar om av människan tillverkade partiklar som är så små att materialets egenskaper förändras. Utnyttjandet av dessa egenskaper på ett kontrollerat sätt kallas för nanoteknologi, varvid nanomedicin alltså innebär ”tillämpningen av nanoteknologi för hälsa”.
– Det kan vara de elektriska, optiska, magnetiska eller kemiska egenskaperna som förändras, men det hänger alltid ihop med storleken, säger Jessica Rosenholm, professor i farmaci vid Åbo Akademi och specialist på nanomedicin.
– Då partiklarna blir tillräckligt små får de egenskaper som bulkmaterialet inte har. När storleken på till exempel guldpartiklar går under hundra nanometer börjar färgen på dem skifta på grund av att deras ljusbrytningsförmåga förändras. Optiska egenskaper hos nanomaterial kan utnyttjas till exempel i kontrastämnen för medicinska undersökningar.
Nanopartiklarna är mindre än vad vi kan se med blotta ögat, men de räknas som material. Det betyder grovt taget att de är betydligt större än – eller sammanslagningar av – enskilda molekyler, som i sin tur förenklat består av bindningar mellan olika grundämnens atomer.
Samtidigt som partiklarna alltså är större än både molekyler och atomer är de så små att de till exempel inte påverkas nämnvärt av gravitationen. Och i jämförelse med kroppens celler är nanopartiklarna pyttesmå.
En orsak till att de kemiska egenskaperna förändras då partikeln blir tillräckligt liten är att förhållandevis många av atomerna befinner sig på ytan av partikeln i stället för att vara bundna till varandra inne i den. Med många atomer på ytan är partikeln mycket reaktiv (så pass reaktiv att det kan ge upphov till så kallad nanotoxicitet, det vill säga hälsorisker). Om partikeln är riktigt liten kan faktiskt de flesta atomerna i partikeln befinna sig på ytan.
– För oss är nanopartiklarna intressanta för att de är ungefär lika små som kroppens egna biomolekyler. Då kan de också cirkulera i kroppen.
Kroppen kanske inte känner igen nanopartiklarna som ett främmande material för att de är tillräckligt små och man kan designa dem så att immunförsvaret inte känner igen dem, säger Rosenholm.
– Nanopartiklarna kan ackumuleras i vävnad och tas upp av celler. Det är därför vi är intresserade av att använda dem som läkemedelsbärare. Vi kan fylla dem med läkemedel, till exempel cytostatika som man bara vill att förs till tumören och inte till friska celler eftersom det leder till biverkningar. Om vi kan styra läkemedlet till cancercellen är det bara dessa som påverkas av cellgiftet.
Nanoläkemedel är ingen ny uppfinning och inte heller någon utopistisk dröm. Forskningen har pågått sedan 1980-talet och det första nanoläkemedlet kom ut på marknaden redan 1995. Det var en cancermedicin baserad på liposomer, en typ av små fettbubblor gjorda av samma material som cellmembran.
I och med att tekniken gått framåt och utvecklingsmöjligheterna har förbättrats, har forskarna nu möjlighet att börja förverkliga nanomedicinens potential. Nanoläkemedel utvecklas för alla möjliga terapiområden och det finns redan till exempel vaccin i nanoform och nanoläkemedel för diabetes, kardiovaskulära sjukdomar och neurodegenerativa sjukdomar i olika utvecklingsskeden. Vanligast är ändå cancermediciner.
– Nanomedicin ger många, många outnyttjade möjligheter.
Läkemedelsutveckling är en långsam process, det går cirka femton år från en ny upptäckt till att det finns en ny produkt på marknaden. Efter att nanoteknologin boomat har en mängd nya, annorlunda nanomaterial växt fram som ännu inte har nått marknaden. Men det är på gång, säger Rosenholm.
– De mediciner som finns på marknaden, första generationens nanomediciner, är inte helt selektiva. De går bättre i kroppen än om man bara gav läkemedelssubstansen utan liposom som bärarsystem, men de kunde vara mera selektiva och mera effektiva samt innefatta fler funktioner, till exempel aktiv målsökningsförmåga, visualiseringsförmåga eller förmåga att kringgå läkemedelsresistens.
Bärarsystem
Möjligheten att styra traditionella läkemedel är begränsad. Efter att en läkemedelssubstans frigörs i kroppen från till exempel en tablett, är dess fortsatta öde nämligen beroende av läkemedelsmolekylens kemiska och fysikaliska egenskaper. Möjligheterna att på förhand ändra läkemedelsmolekylen för att få den att söka sig till den plats man vill att den ska verka på är små, eftersom varje ingrepp förändrar molekylen och därför också förändrar dess medicinska effekt.
Nanomediciner ger en möjlighet att styra hur medicinen rör sig i och tas upp av kroppen. Det finns flera svårigheter i att göra det. För det första måste man ”lura” immunförsvaret så att det inte känner igen den läkemedelsbärande partikeln som något som är främmande för kroppen, utan låter den cirkulera tillräckligt länge för att hinna fram dit det är tänkt att den ska verka. För det andra behöver läkemedlet samlas effektivt och frisättas på rätt plats i kroppen. För det tredje är målet för läkemedelsmolekylen ofta ett protein inne i cellen, vilket gör att man vill att cellen ska ta upp läkemedlet och dessutom hitta till rätt plats inne i cellen.
För att lyckas med det skapar man ett så kallat bärarsystem: partiklar med rätt kemiska och fysikaliska egenskaper för att lyckas på alla tre punkter. Dessa ”laddar” man sedan med molekyler av läkemedelssubstansen – det kan rymmas miljoner av dem i en nanopartikel.
Genom kemisk design finns det gott om möjligheter att ge bärarpartikeln de egenskaper man vill att den ska ha.
– Vi försöker få bärarsystemen att bete sig som vi vill. Sedan kan vi i princip sätta vilken läkemedelsmolekyl som helst in i partikeln utan att det påverkar bärarsystemet. Bärarsystemet för läkemedelsmolekylen dit den ska och frigör den där, säger Rosenholm.
– Hur exakt det görs handlar om nanopartikeldesign som vi står i labbet och funderar på hur vi ska åstadkomma. Man måste spela med kemi, säger Rosenholm.
När man skapar partiklarna kan man rent konkret starta från ett stort block som man sedan finfördelar, men Rosenholms forskargrupp går andra vägen och bygger upp partiklarna molekyl för molekyl. Bärarsystemen man skapar är i regel porösa keramiska kiseldioxidpartiklar.
– Vi börjar med lösningar som vi blandar ihop. I lösningarna är de ingående komponenterna på molekylär nivå, skilda från varandra, men när de blandas börjar de samlas och reagera med varanda och kopplas ihop till större och större element, partiklar. Genom att spela med temperatur, lösningsmedel och pH-värde kan vi kontrollera att de inte blir för stora, säger Rosenholm.
– Våra kiseldioxidpartiklar är porösa. När partiklarna är färdiga sätter vi läkemedelssubstansen i porerna. Vi löser upp det i en lösning, lägger till partiklarna och låter dem blandas över natten. Det gäller att se till vi har en sån ytkemi på porväggarna i partiklarna att läkemedlet har en attraktion dit. Genom att använda ett ”dåligt” lösningsmedel adsorberar läkemedelsmolekylerna hellre till partiklarna än stannar i lösningen. Sedan kan vi centrifugera bort partiklarna ur lösningen, vakuumtorka dem och – tadaa! – så har vi en färdig nanomedicin.
Fascinerande.
– Nå, eventuellt tillkommer ännu vidare funktionalisering av partiklarna, och även om just den biten låter som att man bara blandar lite lösningar, har den föregåtts av en lång utvecklingsprocess och ett planeringsarbete som faktiskt är fascinerande.