Θα μπορούσαν οι νανομηχανές να είναι οι αυριανοί γιατροί;
Ο βιουπολογιστής από DNA εντοπίζει μια νόσο και χορηγεί φάρμακα

Από το Nature, 29 Απριλίου 2004

Τα σκέλη του DNA μπορούν να αισθανθούν το ανώμαλο RNA, που μπορεί να δείξει μερικούς τύπους καρκίνου.

Οι επιστήμονες έχουν φτιάξει έναν μικροσκοπικό βιολογικό υπολογιστή που είναι σε θέση να εντοπίζει και να θεραπεύει ορισμένους τύπους καρκίνου.

Η συσκευή, που λειτουργεί μόνο σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα, απαιτεί πολλά χρόνια για να εφαρμοστεί κλινικά. Αλλά οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα είναι ο πρόδρομος των μελλοντικών "έξυπνων φαρμάκων", που θα περιπλανώνται το σώμα, θεραπεύοντας την αρρώστια επί τόπου.

Αντί των τσιπ πυριτίου και των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η μικροσκοπική μηχανή φτιάχνεται από DNA και ένζυμα. Και αντί να ελέγχεται από ηλεκτρικά σήματα, αισθάνεται τις χημικές αλλαγές στο περιβάλλον της και αποκρίνεται απελευθερώνοντας βιολογικά μόρια σαν γενετικά φάρμακα.

Χρησιμοποιεί ως λογισμικό περίπου 20 μόρια του DNA και έχει διάμετρο μόλις 100 δισεκατομμυριοστά του μέτρου, κάτι που σημαίνει ότι χίλια δισεκατομμύρια τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να χωρέσουν σε μια σταγόνα.

Ο βιουπολογιστής αισθάνεται τον αγελιαφόρο RNA (mRNA), το μόριο σαν το DNA που βοηθάει στη δημιουργία πρωτεϊνών από τις πληροφορίες στα γονίδια. Ιδιαίτερα, μπορεί να ανιχνεύσει το ανώμαλο mRNA, που παράγεται από γονίδια, τα οποία περιλαμβάνονται σε ορισμένους τύπους καρκίνου του πνεύμονα και του προστάτη.

Όταν ο βιουπολογιστής αισθανθεί ένα από αυτά τα mRNA ελευθερώνει ένα αντικαρκινικό φάρμακο, που γίνεται επίσης από DNA, το οποίο μετριάζει την έκφραση του σχετικού ογκογονιδίου, εξηγούν οι ερευνητές που δημοσιεύουν την εργασία τους στο Nature.

Δισεκατομμύρια τέτοιων υπολογιστών μπορούν να συσκευαστούν σε μια απλή σταγόνα νερού, έτσι θα μπορούσαν εύκολα να εγκατασταθούν μέσα σε ένα ανθρώπινο κύτταρο. "Θέλουμε δεκαετίες για τη χρήση του, αλλά οι μελλοντικές γενεές των υπολογιστών DNA θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σαν γιατροί μέσα στα κύτταρα", λέει ο Ehud Shapiro από το Επιστημονικό Ινστιτούτο Weizmann στο Ισραήλ, ο οποίος καθοδήγησε την έρευνα. Η ιδέα είναι αυτοί θα μπορούσαν να διαγνώσουν τη νόσο μέσα από τα κύτταρα και να χορηγούν φάρμακα ανάλογα με τις ανάγκες.

Φανταστικό ταξίδι

"Είναι λίγο νωρίς για να αρχίσουν οι εφαρμογές", προειδοποιεί ο ειδικός για το DNA υπολογιστή Loyd Smith από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin στο Μάντισον. "Αλλά είναι ένα σημαντικό βήμα". Οι υπολογιστές DNA δεν είναι νέοι αλλά  αυτός είναι ο πρώτος στον οποίο και η είσοδος και η έξοδος είναι βιολογική. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να 'γαντζωθεί' στα ζώντα συστήματα.

Μέχρι τώρα, ο υπολογιστής εργάζεται μόνο μέσα σε ένα προσεκτικά ρυθμισμένο διάλυμα άλατος, και υπάρχουν πολλά εμπόδια που πρέπει να υπερνικηθούν προτού μπορέσει να εφαρμοστεί σε πραγματικές αρρώστιες. Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι οι υπολογιστές που θα επιζήσουν μέσα σε ένα βιολογικό περιβάλλον, δεν θα προκαλέσουν μια άνοση απόκριση και θα είναι ασφαλείς στη χρήση τους, λέει ο Shapiro.

Θα χρειάζονταν επίσης να είναι πολύ πιο σύνθετοι από το πρωτότυπο, το οποίο αναγνωρίζει μόνο το mRNA που σχετίζεται με τον καρκίνο. Και θα χρειάζονταν να χορηγούν μια μεγάλη ποικιλία φαρμάκων, κι όχι μόνο θεραπεία DNA. Θα χρειαστεί να δοκιμαστούν με εναιωρήματα κυττάρων, καλλιέργειες ιστών, απλούς οργανισμούς, στα θηλαστικά και τελικά στους ανθρώπους.

Αλλά εάν μπορούσαν να υπερνικηθούν τέτοια εμπόδια, τότε "θα μπορούσε να είναι η τέλεια εφαρμογή για τον υπολογιστή DNA", λέει ο Smith.

Ο πρώτος υπολογιστής DNA αναπτύχθηκε πριν από περίπου μια δεκαετία από τον Λίοναρντ Αντλμαν του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια. Μπορούσε δε να επιλύει μέσα στον δοκιμαστικό σωλήνα ένα απλό πρόβλημα αριθμητικής.

Η ιδέα αυτή δεν απέχει και πολύ από μια ταινία επιστημονικής φαντασίας του 1966, την ταινία 'Φανταστικό ταξίδι', που βασίζεται σε ένα βιβλίο του Isaac Asimov. Εκεί μια χειρουργική ομάδα μετατρέπεται σε μικροσκοπικά άτομα και εισάγονται με τη βοήθεια μικροσκοπικού οχήματος -- πολύ μικρότερο από ένα ανθρώπινο κύτταρο -- πέφτει μέσα στην κυκλοφορία του αίματος ενός ασθενή, κυνηγώντας ασθενικά κύτταρα και διαπερνώντας τις μεμβράνες τους για να χορηγήσει τις ακριβείς δόσεις των φαρμάκων.

"Η επιστημονική φαντασία οδηγεί την τεχνολογία", αναφέρει ο Smith.

Κι άλλη εφαρμογή

Εν τω μεταξύ η γνωστή εταιρεία Roche ετοιμάζεται να διαθέσει τσιπ DNA, το AmpliChip, που προβλέπει πώς οι ασθενείς θα αποκριθούν σε θεραπείες με συγκεκριμένα φάρμακα. Το νέο εργαλείο φέρνει ένα βήμα πιο κοντά τις εξατομικευμένες θεραπείες, που ανταποκρίνονται στις βιοχημικές απαιτήσεις κάθε μεμονωμένου ασθενούς.

Το τσιπ DNA, ή μικροσυστοιχία DNA, είναι μια γυάλινη πλάκα σε μέγεθος γραμματόσημου που φέρει τμήματα γονιδίων. Τα τμήματα αυτά συνδέονται με τα αντίστοιχα, συμπληρωματικά τμήματα DNA σε δείγμα αίματος του ασθενούς. Στη συνέχεια το τσιπ σαρώνεται με ειδικό εξοπλισμό, ώστε να καταγραφούν οι επιτυχείς συνδέσεις.

Το AmpliChip της Rοche ανιχνεύει ποικιλίες δύο γονιδίων που επηρεάζουν το χρόνο που απαιτείται για να μεταβολιστούν και να εξουδετερωθούν τα φάρμακα στο συκώτι.

To AmpliChip εξετάζει ποικιλίες των γονιδίων CYP2D6 και CYP2C19. «Υπάρχει αυξανόμενη συνειδητοποίηση του σημαντικού ρόλου που παίζουν αυτά τα γονίδια στο μεταβολισμό ενός εκτιμώμενου 20 με 25% των φαρμάκων που κυκλοφορούν στην αγορά» αναφέρει ο διευθυντής του τμήματος Γενομικής της Roche Molecular Diagnostics.

To Amplichip βασίστηκε σε τεχνολογία της αμερικανικής Affymetrix, της εταιρείας που ανέπτυξε τα πρώτα τσιπ γονιδίων. Κάθε εξέταση με το τσιπ θα κοστίζει 350 έως 450 δολάρια.

H Roche είναι σίγουρη ότι ο Οργανισμός Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) θα εγκρίνει σύντομα το τσιπ όπως και η έγκριση του από αντίστοιχους ευρωπαϊκούς φορείς.