Ο Σαίξπηρ έλεγε πως «μερικά ελαττώματα φέρουν τα εξωτερικά γνωρίσματα των προτερημάτων». Αυτό φαίνεται πως το γνωρίζει καλά ο Έλληνας Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Νανο-επιστήμης του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και επισκέπτης καθηγητής στην Ιατρική σχολή του Χάρβαρντ, Νίκος Χατζάκης, ο οποίος προσεγγίζει τώρα την «έξυπνη» χορήγηση φαρμάκων στα κύτταρα χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες δομές που ονομάζονται κολλοειδή μεταλλικά-οργανικά πλαίσια νανοκλίμακας (nanoMOFs). Είδηση δεν αποτελεί βέβαια ότι είναι από τους πρώτους (αν όχι ο πρώτος) που χρησιμοποιεί αυτές τις δομές, αλλά ότι τις «χαλάει» κιόλας σκόπιμα.
Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά. Τα κολλοειδή μεταλλικά-οργανικά πλαίσια νανοκλίμακας (nanoMOFs) είναι εξαιρετικά πορώδεις, κρυσταλλικές κατασκευές από ιόντα μετάλλων που συνδέονται με οργανικά μόρια. Οι μοναδικές ιδιότητές τους, συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων επιφανειών και δομών τους που μπορούν να συντονίζονται, τα καθιστούν ελκυστικούς υποψήφιους για στοχευμένη παράδοση φαρμάκων.
«Ωστόσο, παρά τις δυνατότητές τους, η χρήση των nanoMOFs στη χορήγηση φαρμάκων μπλοκάρεται από διάφορους παράγοντες, με κυριότερους την δυσκολία επαρκούς φόρτωσής τους, της απελευθέρωσης ουσίας με απόκριση σε ερεθίσματα (responsive release) και κυρίως της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα κύτταρα και κινούνται μέσα στον οργανισμό», σχολιάζει ο Έλληνας επιστήμονας.
Χωρίς αυτή την κρίσιμη γνώση, η βελτιστοποίηση των nanoMOFs για αποτελεσματική και ασφαλή χορήγηση φαρμάκων παρέμενε μια πρόκληση, όπως και η ανάπτυξη nanoMOFs που μπορούν εύκολα να ανιχνευτούν μέσα στα κύτταρα την ώρα που μεταφέρουν φάρμακα.
Οι πρόσφατες εξελίξεις στις τεχνολογίες απεικόνισης, ιδιαίτερα στον τομέα της παρακολούθησης μεμονωμένων σωματιδίων, όπου το εργαστήριο του καθηγητή Χατζάκη πρωτοπορεί, έδειξαν νέες δυνατότητες για τη μελέτη της συμπεριφοράς των νανοσωματιδίων σε βιολογικά συστήματα. Ταυτόχρονα, η πρόοδος στην επιστήμη των υλικών επέτρεψε πιο ακριβή έλεγχο των δομών και των ιδιοτήτων των nanoMOFs. Αυτές οι εξελίξεις προετοίμασαν το έδαφος για μια βαθύτερη έρευνα σχετικά με το πώς τα nanoMOFs μπορούν να κατασκευαστούν και να χρησιμοποιηθούν για τη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων.
Η πρόσφατη εργασία της ερευνητικής ομάδας του καθηγητή Χατζάκη στην Κοπεγχάγη, που δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Advanced Materials ( "Defect-Engineered Metal–Organic Frameworks as Nanocarriers for Pharmacotherapy: Insights into Intracellular Dynamics at The Single Particle Level" ), παρουσιάζει τώρα μια νέα προσέγγιση στην ανάπτυξη και τη μελέτη nanoMOFs για εφαρμογές χορήγησης φαρμάκων.
Σχεδιάζοντας σκοπίμως νανοσωματίδια με… «ελαττώματα»
Οι ερευνητές του Hatzakis Lab εμπνεύστηκαν μια μέθοδο ανάπτυξης «ελαττωματικών» nanoMOFs δηλαδή, νανοσωματιδίων με σκόπιμα εισαγόμενες ατέλειες που μπορούν να αξιοποιηθούν για να φορτωθούν επαρκώς με φάρμακα και να βελτιώσουν τη λειτουργικότητά τους.
Η ομάδα εστίασε σε έναν συγκεκριμένο τύπο nanoMOF που ονομάζεται UiO-66 και που βρίσκεται παντού. Το συγκεκριμένο nanoMOF αποτελείται από ιόντα ζιρκονίου, θεωρείται ‘προικισμένο’ και είναι γνωστό για τη σταθερότητα και τις δυνατότητές του σε βιοϊατρικές εφαρμογές γιατί διαθέτει μια ενεργή, ευρύχωρη επιφάνεια, είναι βιοαποδομήσιμο και έχει χαμηλή κυτταροτοξικότητα.
«Ελέγχοντας προσεκτικά τις συνθήκες σύνθεσης, καταφέραμε να δημιουργήσουμε νανοσωματίδια UiO-66 με υψηλή πυκνότητα δομικών ‘ελαττωμάτων’. Αυτά τα ‘ελαττώματα’ εξυπηρετούν έναν διπλό σκοπό, αυξάνουν την ικανότητα του σωματιδίου να φορτωθεί και να μεταφέρει φάρμακα και επιπλέον παρέχουν θέσεις για τη σύνδεση φθοριζόντων μορίων που επιτρέπουν την παρακολούθησή του μέσα στα κύτταρα», εξηγεί ο καθηγητής Χατζάκης, ο οποίος μαζί με την ομάδα του είναι από τους πρώτους που δημιούργησαν θέσεις πρόσδεσης μορίων για ‘έξυπνη’ απελευθέρωση φαρμάκων.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια φθορίζουσα ένωση που ονομάζεται ATTO 655 για να σημάνουν τα nanoMOFs. Μάλιστα, τη σύνδεσαν στις ‘ελαττωματικές’ θέσεις των σωματιδίων UiO-66 για να δημιουργήσουν nanoMOFs τα οποία μπορούσαν να παρακολουθούν με αξιόπιστο τρόπο για εκτεταμένες χρονικές περιόδους.
Για να αναδείξουν τις δυνατότητες αυτών των ‘ελαττωματικά’ κατασκευασμένων nanoMOFs στη χορήγηση φαρμάκων, οι ερευνητές τα ‘φόρτωσαν’ με ένα φάρμακο που ονομάζεται Alendronate Sodium (AL), το οποίο χρησιμοποιείται για τη θεραπεία διαταραχών των οστών. Στη συνέχεια διεξήγαν μια σειρά πειραμάτων για να μελετήσουν πώς αυτά τα φορτωμένα με φάρμακα nanoMOFs που ‘λάμπουν’, αλληλεπιδρούν με τα κύτταρα.
Παρακολουθώντας βήμα-βήμα τα nanoMOFs
Ένα από τα highlights αυτής της μελέτης ήταν η χρήση προηγμένων τεχνικών απεικόνισης και ανάλυσης για την παρακολούθηση μεμονωμένων σωματιδίων nanoMOF σε πραγματικό χρόνο μέσα σε ζωντανά κύτταρα, κάτι που η ομάδα του καθηγητή Χατζάκη έχει επιδείξει πρώτη.
Οι ερευνητές στο εργαστήριο του Χατζάκη χρησιμοποιούν τώρα ομοεστιακή μικροσκοπία περιστρεφόμενου δίσκου, μια μέθοδο απεικόνισης υψηλής ταχύτητας, που επιτρέπει την παρατήρηση ταχέως κινούμενων σωματιδίων σε τρεις διαστάσεις. Μάλιστα τη συνδυάζουν με εξελιγμένους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να αναλύσουν τον τεράστιο όγκο δεδομένων που παράγονται από την ταυτόχρονη παρακολούθηση χιλιάδων σωματιδίων. Και αυτό είναι επίσης πρωτοποριακό!
Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στην ομάδα να παρατηρήσει, για πρώτη φορά και με μεγάλη λεπτομέρεια, το ‘ταξίδι’ των nanoMOFs καθώς αυτά εισέρχονται στα κύτταρα και μετακινούνται ανάμεσα σε διαφορετικά κυτταρικά διαμερίσματα. Κατάφεραν μάλιστα, να προσδιορίσουν ποσοτικά τα σωματίδια που εσωτερικεύονται από τα κύτταρα με την πάροδο του χρόνου, αλλά και να ανιχνεύσουν τις συγκεκριμένες οδούς μέσω των οποίων τα nanoMOF προσλαμβάνονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία.
«Διαπιστώσαμε ότι τα ‘ελαττωματικά’ κατασκευασμένα nanoMOFs εσωτερικεύτηκαν αποτελεσματικά από τα κύτταρα ακολουθώντας μια συγκεκριμένη διαδρομή μέσω κυτταρικών σχηματισμών που ονομάζονται ενδοσώματα πριν φτάσουν στα λυσοσώματα. Τα τελευταία είναι κυτταρικά διαμερίσματα που εμπλέκονται στην επεξεργασία και την διάσπαση εξωτερικών υλικών. Παρακολουθώντας την διαδρομή των nanoMOFs μέσω αυτών των διαμερισμάτων αποκτήσαμε πληροφορίες για το πώς τα νανοσωματίδια εισέρχονται στο κύτταρο και απελευθερώνουν το φορτίο τους», λέει ο καθηγητής.
Οι ερευνητές σε μια σειρά πειραμάτων διαπίστωσαν ότι η απελευθέρωση του φαρμάκου ήταν ελαφρώς ταχύτερη σε όξινες συνθήκες, όπως όξινο είναι και το περιβάλλον ορισμένων κυτταρικών διαμερισμάτων και ιστών όγκων. Έτσι μπόρεσαν να εκμεταλλευτούν αυτή την ιδιότητα για να σχεδιάσουν ‘ελαττωματικά’ nanoMOFs για στοχευμένη παροχή φαρμάκου σε καρκινικά κύτταρα. Η ομάδα αξιολόγησε επίσης τα nanoMOF που μεταφέρουν φάρμακα ως προς την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητά τους και διαπίστωσαν ότι τα άδεια nanoMOF (χωρίς φάρμακο) δεν έδειξαν τοξικές επιδράσεις στα υγιή κύτταρα, ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις. Όταν ‘φορτώθηκαν’ με το φάρμακο AL, τότε επέδειξαν επιλεκτική τοξικότητα μόνο προς τα καρκινικά κύτταρα. Αυτό υποδηλώνει ότι τα nanoMOFs θα μπορούσαν ενδεχομένως να βελτιώσουν τον θεραπευτικό δείκτη των φαρμάκων με τη χορήγησή τους σε κύτταρα-«στόχους».
Η εργασία του καθηγητή Χατζάκη και της ομάδας του είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί προσεγγίζει πολύπλευρα την εκμετάλλευση των nanoMOFs στη στοχευμένη χορήγηση φαρμακευτικών μορίων. «Κατασκευάζοντας σωματίδια με συγκεκριμένα ‘ελαττώματα’, δημιουργήσαμε μια ευέλικτη πλατφόρμα που συνδυάζει την ικανότητα μεταφοράς φαρμάκων με την ιχνηλασιμότητα. Η χρήση τεχνικών απεικόνισης και ανάλυσης αιχμής έχει παράσχει πρωτοφανείς πληροφορίες για το πώς συμπεριφέρονται αυτά τα σωματίδια μέσα στα κύτταρα, καλύπτοντας ένα κρίσιμο κενό γνώσης στο πεδίο», συμπληρώνει ο ίδιος.
Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να εφαρμοστούν και σε άλλους τύπους νανοσωματιδίων και σε άλλα συστήματα χορήγησης φαρμάκων, επιταχύνοντας ενδεχομένως την πρόοδο στον ευρύτερο τομέα της νανοϊατρικής. «Η ικανότητα παρατήρησης και ποσοτικοποίησης της συμπεριφοράς μεμονωμένων νανοσωματιδίων σε ζωντανά κύτταρα ανοίγει νέες δυνατότητες για τη βελτιστοποίηση των φορέων παροχής φαρμάκων και την κατανόηση των αλληλεπιδράσεών τους με τα βιολογικά συστήματα», σημειώνει ο ίδιος..
Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται αυτά τα nanoMOFs σε πιο πολύπλοκα βιολογικά περιβάλλοντα, όπως σε ζωικά μοντέλα είναι ζωτικής σημασίας για τη μετάφραση αυτής της τεχνολογίας σε κλινικές εφαρμογές. Επιπλέον, η διερεύνηση τρόπων για περαιτέρω συντονισμό των ιδιοτήτων απελευθέρωσης φαρμάκου από αυτά τα νανοσωματίδια θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακόμη πιο ακριβή και αποτελεσματικά συστήματα «έξυπνης» χορήγησης φαρμάκων.
*Η συγκεκριμένη έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το NovoNordisk Foundation και είναι μέρος της γενικότερης έρευνας που διενεργείται στο Center for Optimized oligo escape and centro of disease στο οποίο ηγείται ο Έλληνας επιστήμονας.
