السرطان على هدف الطب النانوي / جيمس ر. هيث، مارك أ. ديفيس وليروي هود

نتوقع أن تعمل جميع الأدوية في المستقبل وفقًا لهذه المبادئ (على غرار قياس السكر)، ولكن بالفعل في أبحاث السرطان يمكنك العثور على أمثلة لاستخدام التكنولوجيا المصغرة لتوليد المعلومات اللازمة لمراقبة المرض من منظور نظامي شامل.

يمكن لمريض السكري الذي التهم الكعك في إحدى حفلات المكتب، أو الذي سيذهب للتمرين في صالة الألعاب الرياضية، استخدام جهاز قياس محمول لإجراء اختبار سريع لسكر الدم، ثم ضبط كمية الأنسولين أو الطعام الذي يستهلكه لتجنب ارتفاعه أو ارتفاعه. انخفاض مستوى السكر في دمه. ومن يعتقد أن جهاز الاختبار الصغير وغير المكلف، الذي يسمح لمرضى السكر بفحص مستوى الجلوكوز لديهم خلال النهار، هو مسألة راحة ولا شيء غير ذلك، فمن المؤكد أنه لم يكن ليكون مريضًا بالسكري قبل عشر سنوات أو أكثر، عندما كانت الحياة بجانب هذا. كان المرض مصحوبًا بالعديد من المخاوف والتخمينات وقدر أقل من السيطرة.

هذه التكنولوجيا الرخيصة والمريحة لاستخراج المعلومات من الجسم، والتحسن الهائل في نوعية الحياة التي تقدمها للمرضى، هي مثال على الطبيعة المستقبلية للطب ككل: فهي تتوقع المستقبل من الحدوث وتمنعه، أكثر تكيفًا مع الاحتياجات الشخصية للمريض ويوفر الأدوات التي تسمح له بالمشاركة في الحفاظ على صحته. في الواقع، نعتقد أن الطب يتحرك بالفعل في هذا الاتجاه، ويرجع الفضل في ذلك في الأساس إلى التقنيات الجديدة التي تجعل من الممكن قياس وتحليل المعلومات البيولوجية بسرعة وبتكلفة زهيدة.

أحد مفاتيح هذه الثورة في الطب هو التصغير الشديد للتقنيات بغرض استخلاص المعلومات التشخيصية من كميات ضئيلة من الدم، أو حتى من خلايا مفردة مأخوذة من الأنسجة المريضة. إن الأدوات التي يجري تطويرها اليوم، والتي تقاس أبعادها بالميكرونات والنانومترات (مليون ومليار من المتر)، قادرة على قياس عدد كبير من الجزيئات البيولوجية بسرعة وبدقة كبيرة، وكل هذا بتكلفة مستقبلية تبلغ بضعة سنتات. لكل قياس. إن الجمع بين التكلفة المنخفضة والإمكانيات العالية يفتح مسارات جديدة للبحث وعلاج الأمراض من خلال مراقبة جسم الإنسان كنظام ديناميكي للتفاعلات الجزيئية. يتم إدخال هذه القياسات النظامية في نماذج حسابية، ويمكن أن تكشف عن العلامات المبكرة لمشكلة ما. إن ربط هذه الأفكار مع أساليب العلاج الجديدة بتقنية النانو يجعل من الممكن تركيز العلاج على المشكلة، المشكلة فقط، وبالتالي منع الآثار الجانبية الخطيرة.

نتوقع أن يعمل الطب ككل في المستقبل وفقًا لهذه المبادئ، ولكن بالفعل في أبحاث السرطان يمكنك العثور على أمثلة لاستخدام التكنولوجيا المصغرة لتوليد المعلومات اللازمة لمراقبة المرض من منظور نظامي شامل.

الطب النظامي

لتطوير نموذج حاسوبي لنظام ما، هناك حاجة إلى كميات هائلة من البيانات. تحتوي الكائنات الحية على قدر كبير من المعلومات "الرقمية" التي يمكن قياسها وتحديد كميتها وبرمجتها في النموذج. تبدأ هذه المعلومات البيولوجية في الشفرة الوراثية للمخلوق. تحمل كل خلية في جسم الإنسان نسخة كاملة من الجينوم البشري، الذي يتكون من ثلاثة مليارات زوج من قواعد الحمض النووي، وهي حروف الأبجدية الجينية. يتم تشفير هذه "الحروف" بواسطة ما يقرب من 25,000 جينة، والتي تمثل تعليمات لتنشيط الخلايا والأنسجة. داخل كل خلية، يتم نسخ الجينات إلى أشكال أكثر قدرة على الحركة، إلى أجزاء منفصلة من الحمض النووي الريبي المرسال الذي يحمل التعليمات إلى المعدات الخلوية التي تقرأ الحمض النووي الريبي وتنتج سلاسل من الأحماض الأمينية وفقًا للتعليمات المشفرة. تطوى سلاسل الأحماض الأمينية إلى بروتينات، وهي في الواقع آلات جزيئية ثلاثية الأبعاد تقوم بمعظم وظائف الحياة.

داخل النظام البيولوجي، مثل جسم الإنسان، يتم نقل جميع هذه "البيانات" ومعالجتها واستيعابها وترجمتها أخيرًا إلى نشاط بواسطة شبكات من البروتينات التي تتفاعل مع بعضها البعض ومع الجزيئات الأخرى داخل الخلية التي لها أهمية بيولوجية. وبالنظر إلى النظام بأكمله كشبكة من هذه الأحداث المترابطة، يمكن رؤية المرض كنتيجة لبعض الخلل في أنماط المعلومات المبرمجة العادية للشبكة. قد يكون السبب الأولي خللاً داخل النظام، مثل تغيير عشوائي في الحمض النووي يسبب تغييرًا في تعليمات مشفرة، أو حتى بعض التأثيرات البيئية التي تخترق النظام من الخارج، مثل الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس والتي قد تسبب الضرر إلى الحمض النووي الذي سيؤدي مع مرور الوقت إلى سرطان الجلد. ومع اتساع تأثير الاضطراب الأولي، تستمر أنماط المعلومات في التغير، وهذه التغيرات الديناميكية في الأنماط تفسر ميكانيكيا طبيعة المرض [انظر الشكل في الصفحة التالية].

إن بناء نموذج حاسوبي دقيق لهذا النوع من الشبكات البيولوجية يعد جهدًا كبيرًا. تتطلب المهمة تكاملًا حسابيًا لملايين وحتى المزيد من قياسات الحمض النووي الريبي المرسال ومستويات البروتين لوصف ديناميكيات انتقال النظام من الصحة إلى المرض بشكل كامل. ومع ذلك، فإن النموذج الدقيق الذي يمكنه التنبؤ بشكل صحيح بنتائج الاضطرابات يمكن أن يرسي الأساس لتغيير ثوري في تصور الصحة والمرض وفي الطريقة التي نتعامل بها طبيا.

في العقود الأخيرة، على سبيل المثال، كان السرطان هو المرض الأكثر دراسة، ولكن التوصيف التقليدي للأورام يتم بشكل تقريبي، وفقًا للحجم والموقع في عضو أو نسيج معين، وما إذا كانت الخلايا الخبيثة قد انتشرت من الخلايا الأولية. ورم. كلما كان السرطان أكثر تقدمًا وفقًا لهذه "المراحل" التشخيصية، كلما كان تشخيص المريض أكثر قتامة. لكن حتى هذا الإجراء المقبول يعاني من العديد من التناقضات. المرضى الذين تم تشخيص إصابتهم بنفس السرطان، وتلقوا علاجات إشعاعية وعلاجات كيميائية مماثلة، يتفاعلون أحيانًا بشكل مختلف تمامًا - بعضهم يتعافى تمامًا والبعض الآخر يتدهور بسرعة.

كشفت قياسات الحمض النووي الريبي المرسال وتركيزات البروتين في الأنسجة السرطانية عن أوجه القصور في هذه الأساليب التقليدية، وأظهرت أن اثنين من الأورام السرطانية المتطابقة ظاهريًا هما في الواقع نتيجة لاضطرابات في الشبكة تختلف عن بعضها البعض في غرض التغيير. واستنادا إلى هذا التحليل الجزيئي، فإن العديد من أنواع السرطان التي كانت تعتبر في السابق مرضا واحدا، أصبحت الآن معروفة على أنها أمراض مختلفة.

لنأخذ أورام البروستاتا كمثال. حوالي 80% منها تنمو ببطء شديد لدرجة أنها لن تسبب أي ضرر للجسم الذي يؤويها. أما الـ 20٪ المتبقية فسوف تنمو بشكل أسرع، وتغزو الأنسجة المحيطة بها، بل وترسل النقائل إلى الأعضاء البعيدة وتؤدي في النهاية إلى وفاة المريض. تحاول مجموعتنا البحثية الآن تحديد الشبكات الكيميائية الحيوية المعطلة في خلايا البروستاتا التي تميز كل نوع من هذين النوعين من السرطان، بحيث يكون من الممكن معرفة النوع الذي يعاني منه المريض في المقام الأول. هذه المعلومات يمكن أن تنقذ 80% من المرضى من الجراحة غير الضرورية أو العلاج الإشعاعي أو الكيميائي، وغني عن القول الألم وتسرب البول والعجز الجنسي المصاحب لهذه العلاجات.

نقوم أيضًا بتحليل الشبكات الجزيئية داخل غدة البروستاتا والتي تسمح لنا بالتمييز بين الأنواع الفرعية بين تلك الحالات الـ 20% من حالات العنف التي يكون فيها العلاج ضروريًا. على سبيل المثال، من خلال تحليل الشبكات المميزة لأورام البروستاتا المبكرة والنقيلية، حددنا بروتينًا يُفرز في الدم والذي يبدو أنه علامة ممتازة للسرطان النقيلي. أدوات مثل هذه يمكنها تقسيم مرض معين مثل سرطان البروستاتا إلى أنواع فرعية دقيقة وتسمح للطبيب باختيار العلاج المناسب لكل شخص بذكاء.

الكشف عن المرض

توفر هذه التحليلات للحمض النووي الريبوزي المرسال والبروتينات المأخوذة من الأنسجة السرطانية معلومات حول طبيعة السرطان المعروف، ولكن قوة النهج النظامي كبيرة أيضًا للمساعدة في التمييز بين السليم والمريض. يمر الدم عبر جميع أعضاء الجسم ويحمل منها البروتينات والجزيئات الأخرى، لذلك فهو بمثابة نافذة ممتازة على نظام الجسم بأكمله. ولذلك يمكن استخدام القدرة على اكتشاف الخلل في البروتينات أو في أنواع معينة من الحمض النووي الريبي المرسال للتحذير من وجود مرض ما وتحديد مكانه في الجسم وطبيعته.

لقد تعاملت مجموعتنا البحثية مع التحدي المتمثل في تقييم حالة نظام الجسم بأكمله وفقًا لصورة الدم من خلال مقارنة مجموعات الحمض النووي الريبي المرسال من حوالي 50 عضوًا مختلفًا في الجسم. لقد وجدنا أنه يوجد في كل عضو من أعضاء جسم الإنسان 50 نوعًا أو أكثر من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الذي يتم إنتاجه بشكل أساسي في ذلك العضو. تحمل بعض هذه الأنواع من الحمض النووي الريبوزي شفرة البروتينات الخاصة بالعضو والتي يتم إفرازها في مجرى الدم، وبالتالي فإن مستواها سيعكس نشاط الشبكات التي تنظم إنتاجها داخل العضو. عندما تتعطل هذه الشبكات بسبب المرض، تتغير مستويات البروتينات المقابلة. ومن المفترض أن تسمح لنا هذه التغييرات بتحديد المرض، لأن كل مرض في عضو ما سوف يعطل شبكات بيولوجية محددة بطرق فريدة.

إذا تمكنا من قياس مستوى حوالي 25 بروتينًا من كل من هذه البصمات الخاصة بالأعضاء، فيمكننا اكتشاف جميع الأمراض من خلال تحديد الشبكات التي تعطلت عن طريق فحص الدم فقط. وبصرف النظر عن الكشف المبكر، وهو أمر مهم للغاية في مرض السرطان، فإن هذا النهج سيجعل من الممكن فصل المرض إلى أقسامه الفرعية المختلفة، ورصد تقدمه ومن ثم استجابته للعلاج. تم الحصول على الدليل الأولي لهذا المبدأ من خلال مراقبة تطور مرض البريون في الفئران.

قمنا بحقن الفئران ببروتينات بريون معدية تسبب مرضًا تنكسيًا في الدماغ، يشبه "مرض جنون البقر"، ثم قمنا بتحليل مجموعة الحمض النووي الريبي المرسال بأكملها في أدمغة الحيوانات المصابة ومجموعة مراقبة في 10 نقاط زمنية مختلفة أثناء تطور الجينات. المرض. ومن هذه البيانات حددنا التغيرات في 300 نوع من الحمض النووي الريبي المرسال الذي يشفر الاستجابة لمرض البريون. وينتمي نحو 200 منهم إلى أربع شبكات بيولوجية فسرت جميع الجوانب المعروفة للمرض، وأشار نحو 100 آخرين إلى جوانب من المرض لم تكن معروفة حتى ذلك الحين. أثناء البحث على الشبكات المعطلة، حددنا أيضًا أربعة بروتينات في الدم تشير إلى وجود مرض البريون حتى قبل ملاحظة أي أعراض. يمكن استخدام هذه البروتينات كعلامات للتشخيص المبكر، قبل ظهور الأعراض، وفائدة ذلك في الطب الوقائي واضحة.

وكجزء من هذه الدراسات، تم إجراء 30 مليون قياس، وقمنا بتطوير سلسلة من البرامج لتحليل ودمج ونمذجة هذه الكميات الضخمة من البيانات. إن بناء نماذج للشبكات الجزيئية القادرة على التنبؤ بالأمراض وترجمة هذه النماذج إلى أدوات مفيدة للطب سوف يتطلب أساليب سريعة وحساسة، والأهم من ذلك، أساليب رخيصة لتحديد تسلسل الحمض النووي وقياس تركيزات الحمض النووي الريبي المرسال والبروتينات.

قياس الجزيئات

وقد لاحظ العديد من العلماء أن التقدم التكنولوجي في تحديد تسلسل الحمض النووي يتم وفق قانون مور المعروف في تطوير رقائق الكمبيوتر. ويقول القانون إن عدد المكونات الوظيفية التي يمكن وضعها على الشريحة لكل وحدة تكلفة تضاعف كل 18 شهرًا على مدى العقود الماضية. في الواقع، تعمل أجهزة تسلسل الحمض النووي من الجيل التالي على زيادة سرعة قراءة الحمض النووي بمعدل أسرع بكثير من قانون مور. على سبيل المثال، ربما استغرق تحديد تسلسل الجينوم البشري لأول مرة من ثلاث إلى أربع سنوات وكلف حوالي 300 مليون دولار. ونحن نعتقد أنه في غضون خمس إلى عشر سنوات، سوف يتكلف تحديد تسلسل الجينوم البشري أقل من ألف دولار، أي بانخفاض قدره 5 ألف ضعف، وسيتم إنجازه في يوم واحد. إن التقدم المماثل في تقنيات الطب الحيوي الأخرى ذات الصلة سوف يسمح بتطوير الطب الوقائي والطب الشخصي في السنوات العشر المقبلة.

واليوم، يكلف اختبار الدم الذي يقيس مستوى بروتين تشخيصي واحد، مثل المستضد الخاص بالبروستاتا، المستشفى نحو 50 دولارًا. وبما أنه سيكون من الضروري في الطب الجهازي قياس عدد كبير من هذه البروتينات، فيجب أن تنخفض التكلفة بشكل كبير. يتم تضمين وقت القياس أيضًا في التكلفة. اليوم، يستغرق اختبار الدم من بضع ساعات إلى بضعة أيام، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الخطوات العديدة المطلوبة لفصل الدم إلى مكوناته - الخلايا والبلازما والبروتينات والجزيئات الأخرى - قبل أن يمكن قياس كل منها باختبارات مختلفة. دقة.

قد يؤدي التصغير الشديد إلى زيادة دقة وسرعة القياسات بشكل كبير مقارنة بالتقنيات الحالية. لقد أثبتت العديد من التقنيات الدقيقة والنانوية قيمتها بالفعل كأداة بحثية لجمع البيانات اللازمة للحصول على رؤية منهجية للمعلومات البيولوجية. ومع ذلك، لكي نتمكن من اعتماد النهج النظامي في العلاج الروتيني للمرضى، يجب أن تنخفض تكلفة كل اختبار للبروتين إلى بضعة سنتات - وهو الهدف الذي من غير المرجح أن تحققه العديد من تقنيات النانو النامية.

قام اثنان منا (هيث وهود) بتطوير شريحة يبلغ عرضها أربعة سنتيمترات، تختبر مستويات البروتين في قطرة دم باستخدام نسخة مصغرة جدًا من طرق الكشف التقليدية. الرقاقة مصنوعة من الزجاج والبلاستيك والمواد الكيميائية فقط، وبالتالي فإن تكلفة إنتاجها منخفضة للغاية. يأخذ جهازنا 2 ميكرولتر من الدم، ويفصل الخلايا عن البلازما ويقيس مستوى عشرات من بروتينات البلازما في غضون دقائق قليلة. في الوقت الحالي، ربما تتراوح التكلفة التقديرية لاستخدام الإصدار الأولي من 5 إلى 10 سنتات لكل بروتين، ولكن بمجرد اكتمال التطوير، يجب أن تلبي هذه التكنولوجيا متطلبات تكلفة الطب الجهازي.

إن توسيع قدرة القياس للرقاقة إلى مئات الآلاف من البروتينات سوف يستغرق وقتا طويلا، ولكن التقدم في تصميم أنظمة التدفق المجهري، في كيمياء الأسطح وفي علم القياس يعمل بسرعة على سد الفجوة بين ما يمكن القيام به اليوم وما هو المطلوب لتحقيق الطب الجديد والشخصي الذي يقدم الطب إلى مكة بشكل كامل. على سبيل المثال، قام زملاؤنا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ستيفن آر. كويك، وأكسيل شيرير، بتطوير نظام تدفق مجهري يجمع بين الصمامات والمضخات على شريحة. تسمح الأنابيب المصغرة الخاصة بها بتوجيه المواد الكيميائية والجزيئات والعينات البيولوجية بدقة شديدة إلى كل خلية من الخلايا العديدة الموجودة على الشريحة، مع إجراء قياس منفصل ومستقل في كل خلية. ومن ثم، فإنها تحول المختبر على الرقاقة إلى العديد من المختبرات على الرقاقة، وتوفر طريقة لمزيد من خفض تكاليف القياسات البيولوجية.

إن الآثار المترتبة على التكنولوجيا المصغرة للرعاية الوقائية لا تقل أهمية. من الرؤى الجديدة للشبكات المريضة قد تنمو أهداف جديدة للعلاجات الطبية الجديدة التي ستعيد ديناميكيات الشبكات لإصلاحها. على المدى القصير، قد تساعد الرؤية النظامية في توجيه الأدوية الموجودة بشكل أكثر فعالية إلى هدفها عن طريق ضبط التركيبة المثالية من الأدوية لكل مريض. يمكن لتقنية النانو أيضًا أن تقلل بشكل كبير من جرعة الأدوية اللازمة لعلاج السرطان.

صغيرة وهادفة

تعد عوامل الشفاء النانوية صغيرة نسبيًا مقارنة بمعظم الأشياء ولكنها كبيرة بالنسبة للجزيء، ويوفر نطاق حجمها مستوى غير مسبوق من التحكم في سلوك جزيئات الدواء داخل الجسم. يمكن أن يتراوح حجم جسيمات النانومتر بين 1 و100 نانومتر، ويمكن إنتاجها من مجموعة متنوعة من الأدوية الموجودة في السوق، مثل عوامل العلاج الكيميائي أو خيوط الحمض النووي الريبي (RNA) لإسكات الجينات (siRNA).

يمكن احتجاز هذه الشحنات داخل كبسولات من مواد اصطناعية مثل البوليمرات أو الجزيئات الشبيهة بالدهون، ويمكن إضافة عوامل مسببة إلى سطح الجسيم مثل الأجسام المضادة والجزيئات الأخرى المصممة للارتباط ببروتينات خلية معينة. تمنح الوحدة أدوية النانومترية القدرة على أداء الأنشطة المعقدة في المكان المناسب وفي الوقت المناسب داخل جسم المريض.

أحد أكبر التحديات في تطوير واستخدام أدوية السرطان هو إدخالها إلى الأنسجة المريضة دون تسمم الجسم بأكمله. الحجم وحده يعطي العلاجات بجزيئات النانومتر، حتى أبسطها، خصائص خاصة تحدد حركة الجزيئات إلى الأورام وداخلها. تتم إزالة الجسيمات النانومترية الأصغر من 10 نانومتر من الجسم بسرعة عبر الكلى، بينما تواجه الجسيمات الأكبر من 100 نانومتر صعوبة في التحرك داخل الورم. وتتجول الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 10 و100 نانومتر عبر الجسم مع مجرى الدم. وهي لا تستطيع، عادة، اختراق الأنسجة السليمة عبر جدران الأوعية الدموية، لكن الأوعية الدموية للأورام السرطانية تكون غير طبيعية وتتناثر على جدرانها مسام كبيرة، يمكن لجزيئات النانومتر من خلالها أن تخترق أنسجة الورم. وبسبب هذه الميزة، تميل جزيئات النانومتر إلى التراكم في الأورام ولا تؤذي أجزاء أخرى من الجسم، وبالتالي تجنب الآثار الجانبية الشديدة لأدوية السرطان التقليدية.

حتى لو تمكن دواء عادي من الوصول إلى الخلايا السرطانية، فإن بروتينات الضخ في الخلية قد تزيله من الخلية حتى قبل أن يكون لديه الوقت الكافي ليدخل حيز التنفيذ - وهذه آلية شائعة لمقاومة الأدوية. تدخل الجسيمات النانوية الخلية في عملية تسمى الالتقام الخلوي. وهي عملية طبيعية يتم فيها إحاطة الأجسام الغريبة بغشاء لإدخالها إلى الخلية، ويقوم الجيب بحماية شحنة الجسيمات من المضخات الخلوية.

بعض أدوية السرطان، التي أعيد تصنيفها الآن على أنها جسيمات نانوية، تم استخدامها لبعض الوقت وتظهر بعض المزايا الأساسية للجسيمات النانوية في دخول الخلايا السرطانية وتقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة السليمة. على سبيل المثال، يعد دوكسوروبيسين الدهني أحد أدوية العلاج الكيميائي الشائعة التي تم تغليفها بغشاء دهني واستخدامها بهذه الطريقة لعلاج سرطان المبيض والورم النقوي المتعدد. يدمر الدوكسوروبيسين القلب، أما نسخته المغلفة بالدهون فتضر القلب بشكل أقل بكثير. ومع ذلك، لوحظ تأثير جانبي جديد - سمية الجلد.

على سبيل المثال، تتمتع جزيئات النانومتر الجديدة، تلك التي تسمى IT-101، والتي اجتازت بالفعل اختبارات السلامة البشرية في المرحلة الأولى من التجارب السريرية، ببنية أكثر تعقيدًا تمنحها وظائف متعددة. IT-101 عبارة عن جسيم قطره 30 نانومتر يتكون من بوليمرات مرتبطة بعقار كامبتوثيسين، وهو دواء جزيئي صغير يشبه إلى حد كبير عقارين للعلاج الكيميائي معتمدين من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية: إرينوتيكان وتوبوتيكان. في حين أن الكامبتوثيسين وحده لا يبقى في الدم لأكثر من بضع دقائق، فإن جزيئات IT-101 مصممة للانتقال في مجرى الدم والبقاء هناك لأكثر من 40 ساعة. إن البقاء لفترة طويلة في الدم يمنح IT-101 وقتًا لاختراق الأورام والتراكم فيها. تدخل الجزيئات إلى الخلايا السرطانية وتطلق الكامبتوثيسين ببطء، بحيث يتم تعزيز تأثيره. أثناء إطلاق الدواء، تتحلل بقية الجسيمات المصنوعة من البوليمر إلى وحدات صغيرة يتم إخراجها عبر الكلى دون ترك أي أثر.

وفي الاختبارات السريرية، تمكن الباحثون من الوصول إلى جرعات دوائية تحافظ على نوعية حياة المرضى دون التسبب في الآثار الجانبية، مثل القيء والإسهال وتساقط الشعر، النموذجية للعلاج الكيميائي، ودون آثار جانبية جديدة. تعتبر جودة الحياة العالية أثناء العلاج مثيرة للغاية، وعلى الرغم من أن المرحلة الأولى من الاختبارات تركز على السلامة، إلا أنه تم العثور على أدلة أيضًا على أن الدواء يعمل بشكل جيد ضد المرض. وهذا أمر مشجع، لأن المرضى المشاركين في تجارب المرحلة الأولى هم أولئك الذين خضعوا سابقًا للعديد من العلاجات التقليدية التي فشلت. وفي نهاية الأشهر الستة من التجربة، استمر بعض المشاركين في تناول الدواء بموافقة خاصة (تعطى قبل موافقة إدارة الغذاء والدواء للمرضى الذين يعانون من حالة خطيرة لا توجد طريقة أخرى لعلاجهم)، ومن بين الناجين وبعد عام يكون المرضى في مراحل متقدمة من سرطان الرئة والكلى والقلب.

نظرًا لأن الآثار الجانبية لهذا الدواء منخفضة جدًا، فسيتم اختباره الآن في المرحلة الثانية من التجارب السريرية (اختبار الفعالية) لدى النساء بعد العلاج الكيميائي لسرطان المبيض. بدلاً من "الانتظار والرؤية" إذا انتشر السرطان، سيتم إعطاء IT-101 كعلاج صيانة على أمل منع المرض من التقدم. إن نتائج تجارب IT-101 والأخبار المشجعة المماثلة من تجارب العلاجات الأخرى القائمة على الجسيمات النانوية بدأت في رسم صورة لما يمكن أن يقدمه الطب النانوي المصمم جيدًا. وفي الواقع، فإن الجيل القادم من جزيئات النانومتر الاصطناعية، والتي هي أكثر تطورا بكثير، يكشف لنا لمسة من الإمكانات الحقيقية لهذه التكنولوجيا ويعلمنا عن المساهمة المستقبلية لهذه الأدوية في النظرة المنهجية للمرض وعلاجه.

بدأت شركة الأدوية Clando، من باسادينا، كاليفورنيا، تجاربها السريرية في عام 2008 باستخدام نظام نقل الحمض النووي الريبي المرسال الذي اخترعه أحدنا (ديفيس). يوضح هذا النهج الجديد جيدًا: تستهدف البروتينات المرتبطة بسطح الجسيمات مستقبلات معينة موجودة بتركيزات عالية في الخلايا السرطانية. تخترق الجسيمات الخلايا وتطلق جزيئات RNA المرسال هناك، والتي تم إعدادها لتتناسب مع جين معين مرغوب فيه، وهذه تمنع إنتاج البروتينات المشفرة في الجين.

ومع ذلك، فإن هذا الدواء النانومتري متعدد الوظائف ليس سوى بداية القصة. بمجرد أن نفهم مبادئ عمل الجسيمات النانوية في البشر، سنكون قادرين على تطبيق الفكرة على أنظمة الشفاء التي ستحمل مجموعات من الأدوية التي سيتم إطلاقها، كل منها، بمعدل شخصي. على سبيل المثال، إذا أردنا تثبيط بروتين يعطل نشاط دواء معين، فيمكننا إنشاء جسيم يطلق أولاً RNA الرسول الذي يثبط الجين لهذا البروتين، وعندها فقط سيطلق جزيئات الدواء. ومع تعمق فهمنا للتغيرات الجزيئية في التحولات بين الصحة والمرض، فمن المؤكد أن جزءًا من نهج الجسيمات النانومترية في علاج الأمراض على المستوى الجزيئي سيزداد بالتأكيد.

الصورة الكبيرة

يعتمد النهج المنهجي للمرض على فكرة أن تحليل الشبكات الديناميكية التي يعطلها المرض والفهم الآلي التفصيلي لحالة المرض التي تنبثق من هذا يمكن أن يتغير من النهاية إلى النهاية في جميع جوانب الطب: تشخيصات أكثر دقة، طرق جديدة وأكثر فعالية للعلاج، وحتى الوقاية. يعزز نهج البيولوجيا النظامية للأمراض تطوير العديد من التقنيات الجديدة، بما في ذلك التدفق المجهري، وتقنيات النانو، وأجهزة القياس والتصوير الجديدة والابتكارات الحسابية القادرة على تحليل ودمج كميات كبيرة من المعلومات البيولوجية وبناء نموذج يعتمد عليها.

وفي السنوات العشر إلى العشرين المقبلة، سيحدث نهجان جديدان على الأقل ثورة في قدرة الطب على التخصيص والتنبؤ. إن تحديد تسلسل الجينوم الشخصي سيجعل من الممكن تحديد الحالة الصحية المستقبلية للشخص بدقة متزايدة. إن القياسات غير المكلفة للبروتينات في الدم ستجعل من الممكن متابعة التغيرات في صحة الشخص بطريقة مستمرة وشاملة.

يبدأ الطب الوقائي بتحديد البروتينات داخل الشبكة المريضة، والتي يمكن من خلالها تصحيح سلوك الشبكة والتي ستؤدي مع مرور الوقت إلى تطوير الأدوية الوقائية. على سبيل المثال، المرأة المعرضة لخطر متزايد للإصابة بسرطان المبيض، والتي ستبدأ في سن الثلاثين بتناول دواء نانومتري مصمم خصيصًا لتحييد المصدر الجزيئي للخطر، قد تقلل من فرص إصابتها بسرطان المبيض خلال حياتها من 30٪ إلى 40٪. .

إن مثل هذه المعرفة حول مصدر الصحة والمرض ستسهل أيضًا على الناس المشاركة في القرارات المتعلقة بصحتهم، تمامًا كما يمتلك مرضى السكري اليوم الأدوات والمعلومات التي تساعدهم على التحكم في نوعية حياتهم اليومية.

إن الطب الوقائي ذو القدرة التنبؤية، والذي يتم تكييفه شخصيًا للسماح للشخص بالقيام بدور نشط في الحفاظ على صحته، سيحدث تغييرات بعيدة المدى في مجتمعنا. سيتعين على صناعة الصحة أن تغير خطط أعمالها بشكل جذري، والتي لا تنتج حاليا أدوية فعالة للغاية ومنخفضة التكلفة. وسوف تؤدي التكنولوجيات الناشئة أيضا إلى رقمنة الطب، وهو ما يعني القدرة على استخراج المعلومات ذات الصلة بالمرض من جزيء واحد، أو خلايا فردية، أو كائنات بشرية فردية، تماما كما تمت رقمنة تكنولوجيات المعلومات والاتصالات قبل خمسة عشر عاما. وبفضل التكنولوجيات الجديدة ذات الإنتاجية العالية والمنخفضة التكلفة، فلابد أن تنخفض تكاليف العلاج الطبي بشكل حاد، حتى يصبح في متناول الجميع، حتى في البلدان النامية.

نتوقع في السنوات العشر القادمة تحقيق بعض الوعود المثيرة في مجال السرطان. إحداهما هي اختبارات الدم للتشخيص قبل ظهور الأعراض، والتي ستكتشف الأورام في مرحلة مبكرة بما يكفي للعلاج التقليدي. والوعد الآخر هو تصنيف الأورام الخبيثة حسب نوع الورم، وليس بالضرورة حسب الأنسجة التي توجد فيها، مما سيجعل من الممكن علاجها بالأدوية الأنسب. كما أن تحديد الشبكات المعطلة سيمكن من تسريع تطوير الأدوية التي ستكون أرخص وأكثر فعالية. وبالتالي فإن هذا النهج الجديد في الطب لديه القدرة على إحداث ثورة في الرعاية الصحية التي ستؤثر علينا جميعا.

عن المؤلفين

جيمس ر. هيث (هيث) هو مدير مركز علم الأحياء النانوي لأنظمة أبحاث السرطان وأستاذ الكيمياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتيك)، حيث يعمل على المواد النانوية والدوائر الإلكترونية النانوية، بالإضافة إلى تقنيات تشخيص السرطان وعلاجه. مارك أ. ديفيس قام (ديفيس)، أستاذ الهندسة الكيميائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بتطوير مواد فريدة للعلاجات التجريبية وأسس شركتين، هما Insert Therapeutics وCalando Pharmaceuticals، اللتان تعملان على تطوير أدوية نانومترية. ليروي هود هو رئيس معهد بيولوجيا الأنظمة في سياتل، والذي أسسه بعد تطوير تقنيات رائدة لتسلسل وتوليف الحمض النووي والبروتينات وأسس العديد من الشركات، بما في ذلك أمجين، وأبلايد بيوسيستمز، وسيستيميكس، وداروين، وروزيتا. أسس هود وهيث أيضًا شركة Integrated Diagnostics، وهي شركة لطب الأنظمة تبحث عن المؤشرات الحيوية للأمراض وتطور أجهزة التدفق المجهري وتقنيات النانو لتحويل هذه العلامات إلى أدوات تشخيصية.

والمزيد حول هذا الموضوع

بيولوجيا أنظمة النانو. جيمس ر. هيث وآخرون. في التصوير الجزيئي والبيولوجيا، المجلد. 5، لا. 5 صفحات 312-325؛ سبتمبر/أكتوبر 2003.

تكنولوجيا النانو و Cancer. جيمس ر. هيث ومارك إي. ديفيس في المراجعة السنوية للطب، المجلد. 59، الصفحات 251-265؛ فبراير 2008. (نشرت لأول مرة على الإنترنت: 15 أكتوبر 2007.)

جسيمات متناهية الصغر Tالعلاجات: An Eدمج Tطريقة العلاج ل Cancer. مارك E. ديفيس وآخرون. في مراجعات الطبيعة لاكتشاف المخدرات, المجلد. 7، لا. 9، الصفحات 771-782؛ سبتمبر 2008.

الباركود المتكامل Cالوركين ل Rعابث، متعدد Aتحليل Pروتين

في كميات ميكروليتر من الدم. رونغ فان وآخرون. في طبيعة التكنولوجيا الحيوية.

النشر المسبق على الإنترنت: 16 نوفمبر 2008.