Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

Kanser Teşhisinde ve Tedavisinde Nanoteknolojik Uygulamalar

---

Geçmişten günümüze dünya ülkeleri için ölümcül bir hastalık olan kanser daima problem olmakla birlikte bu durumun gelecekte de devam edeceği ön görülmektedir.

Dünya Sağlık Örgütü (WHO/World Health Organization/DSÖ)’ne bağlı olarak faaliyet gösteren Uluslararası Kanser Araştırmaları Kurumu (IARC)’nun kanser için yaptıkları bir araştırmada gelecekte de bu hastalık ölüm nedenleri arasında birinci olacağını bildirmişlerdir. Kanserin teşhisi ve tedavisi için yapılan araştırmalar artarken ölümler sabittir. Tanı ve tedavi için yapılan çalışmalar elbette ki bir artışın olduğu bilinmektedir ancak yetersiz kalmaktadır. Bu duruma alternatif çözüm olarak nanoteknolojideki gelişmeler ve uygulamalar kanser tanı ve tedavisi için umut olmuştur.

Kanser hücreleri kontrolsüz çoğalma (anormal proliferasyon) sonucu metastatik özellik sergilemektedir. Anormal proliferasyona uğrayan hücre kitleleri çevreledikleri doku veya organları abluka altına alarak o doku ve organları işlevsiz hale getirerek fonksiyon kaybına neden olmaktadırlar. Kansere sebebiyet veren etmenler çevresel etmenler ve genetik etmenler olarak da kategorize edilmektedir. Genetik etmenler çevresel etmenlere göre daha az bir oranda gerçekleşmektedir. Genetik nedenlere örnek olarak, insidans açısından kanserler arasında sıkça gözlemlenebilen meme kanserine sebebiyet veren BRCA1 geni ve BRCA2 genleri gösterilmektedir. Çevresel faktörler olarak da yeme-içme alışkanlıkları, doğal ve yapay radyasyonlar, kanserojenik ajanlar, yaşam alanları, çalışma koşulları ve ortamları örnek olarak gösterilmektedir.

Biyolojik bilimler açısından nanoteknoloji, nano düzeylerde tasarlanmış, mühendislik materyalleri ile hücresel mekanizmalar ve biyomoleküller arasındaki etkileşimi esas almaktadır. Bundan dolayı da kullanılan nano bazlı materyaller biyolojik yapılar ile aynı boyutta olabilmektedir. Nano-malzemelerin kimyasal kompozisyonu değiştirilmeden istenilen özellikte üretmek çok önemlidir. Gerek nanoteknoloji  bilim sahası için gerekse iç içe olduğu bilim sahalarıyla interdisipliner ve multidisipliner özellik sergileyerek kanserin teşhisi ve tedavisi için etkin bir özelliktir.

Kanserin Teşhisinde Nanoteknoloji

Kanser çok basamaklı bir hastalık olup uzun bir sürece sahiptir. Kanserin oluşumu ve gelişimi de uzun bir sürece dayanmaktadır. Bu yüzden kanserin erken teşhisi ve tanısı çok önemlidir. Hücrelerde meydana gelen mutasyonların erken tanısı kanseri durdurabilmektedir. Kanser teşhislerde klasik ve bilindik yöntemler kullanılmaktadır. X-Ray cihazı ve CT ile organlardaki değişimler gözlemlenmetedir, hücrelere ya da dokulara oluşturduğu etkiler ve başka doku ya da organlara metastaz yapılmış mı bu teknikler ile belirlenmektedir. Çoğu tümörün çapı 1 cm ağırlığı ise 1 gr’a ulaştığı zaman kanserin teşhisi mümkün olabilmektedir. Mamografi ile meme kanserinin klinik teşhisinde 1.000.000 tümör hücresini gözlemlemek gerekmektedir fakat nanoteknolojideki gelişen uygulamalar sayesinde tümör hücrelerinin bu kadar birikmesine gerek kalmadan 100’den az hücrenin saptanması mümkün hale gelmiştir. Bundan dolayı bu klasik metotlar kanserin tanısında yetersiz kalabilmektedir. Bazı araştırmacıların yapmış olduğu çalışmalarda silis küreler içerisine kuantum noktalar ve demir oksit nanokristalleri yerleştirerek görüntülemede kullanmışlardır. Silis kürelerin içerisindeki demir oksit nanokristalleri belirli bir hücre ya da hücrelere odaklanırken kuantum noktalar da yüksek çözünürlük sağlamaktadır.

Kanserin Tedavisinde Nanoteknoloji

Kanser teşhisinden sonra hasta için bir terapötik strateji belirlenir ve uygulanır. Kanser tedavilerinde metodolojik teknikler radyoterapi, cerrahi operasyonlar ve kemoterapi çok tercih edilen ve kullanılan yöntemlerdir. Cerrahi operasyonda kanserli dokunun (tümörün) belli bir prosedür doğrultusunda çıkarılmasıdır. Bu yöntemin dezavantajları arasında ilgili dokunun/dokuların ya da organın/organların kaybı söz konusudur. Radyoterapide belirli frekanslar aralığında ve şiddetinde kanserli hücrelerin yakılması işlemidir. Bu yöntemdeki dezavantajlar ise sadece kanserli hücrelerin radyasyona maruz kalması değil sağlıklı hücrelerde maruz kalabilmektedir. Bundan dolayı sağlıklı hücreler yüksek radyasyondan dolayı işlev kaybına uğramaktadırlar. Kemoterapi toksik etkiye sahiptir ve bu etkisi sayesinde kanserli hücrelere saldırarak ve kanserli hücrelerin bölünmesini ve proliferasyonunu tetikleyen mekanizmaları ortadan kaldırarak etki göstermektedir. Bu toksik özelliğinden dolayı sağlıklı hücrelerde bu duruma maruz kalarak fonksiyon kaybına uğramaktadırlar. Bilim insanları nano-onkoloji alanında yürüttükleri çalışmalar alternatif terapötik strateji oluşturmuşlardır. Özellikle hedefe yönelik ilaç tedavilerinde tümör hücrelerine daha da odaklanarak sağlıklı hücreler üzerine olan etkisini iyice sınırlandırıp azaltmaya gitmişlerdir.  

Kanser Tanı ve Tedavisinde Kullanılan Nano-Bazlı Materyaller

Kuantum Noktaları

Kuantum noktaları güçlü birer moleküler ajanlardır. Yarı iletken özelliği sayesinde ışık saçabilen nanokristallerdir. Geleneksel organik floresan etiketlemeye kıyas edilecek olursa benzersiz optik özellikler sergiledikleri kanıtlanmıştır. Floresan etiketlemede moleküler yararlılıklarını sınırlayan dezavantajlar mevcuttur. Düşük foto-ağartma eşiği ve geniş soğurma/emisyon pik genişliği, uzun süreli görüntüleme  kullanımlarını engellemiştir. Kuantum noktalar foto-ağartmaya karşı yüksek direnç, UV’den NIR’e kadar emilimi ve boyut ayarlanabilir bantları dahil olmak üzere organik floresan boyaların bu sınırlamaların üstesinden gelen özelliklere sahiptir. Kuantum noktaların bu olağanüstü optik özellikleri, onları daha iyi kanser teşhisi için moleküler görüntüleme kullanmak isteyen birçok araştırmacı için heyecan verici bir çalışma alanı haline getirmiştir.

Karbon Nanotüpler

Karbon nanotüpler biyobelirteçlerin elektrokimyasal olarak algılanması için uygulanmasına olanak tanımaktadırlar. Karbon nanotüpler yüksek hacim-hacim oranları vardır ve hızlı elektron transferine aracılık ederek hemen hemen her türlü kimyasal komponentler ile etkileşime girebilmektedir. Karbon nanotüpleri kullanmak bir avantajdır çünkü kanser biyobelirteçlerinin etiketsiz tespiti mümkün hale gelmektedir.

Nanoteller

Nanoteller biyobelirteç tespitinde özellikle kullanılmıştır. Silikon nanoteller (SiNW) olağanüstü fiziksel, optik, elektronik özelliklerle biyouyumluluğa sahip yarı iletken nanoparçacıklardır. İyi incelenmiş malzemeler oldukları için nanotellerin yüzeyi iyi bir şekilde modifiye edilebilmektedir. Bu özellik bir avantajdır çünkü biyobelirteçlerin hassas tespitini sağlayabilmek bu özellik sayesindedir. Araştırmacılar peptit nükleik asitleri (PAN) ile silikon nanotelleri birleştirerek HeLa hücrelerinden ekstrakte edilen miRNA’ları saptamışlardır. Esasında bu sistem kanser hücrelerindeki RNA moleküllerinin tespiti için geliştirilmiştir.

Çeviren ve Derleyen: Alper DEMİREZEN

Referanslar

1.      Choi, YE., Kwak, JW., Park, JW. 2010. Nanotechnology for Early Cancer Detection Sensors. 10: 428-455

2.      Resch-Genger U, Grabolle M, Cavaliere-Jaricot S, Nitschke R, Nann T. Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels. Nat Methods. 2008 Sep;5(9):763-75.

3.      Schröck E, du Manoir S, Veldman T, Schoell B, Wienberg J, Ferguson-Smith MA, Ning Y, Ledbetter DH, Bar-Am I, Soenksen D, Garini Y, Ried T. Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes. Science. 1996 Jul 26;273(5274):494-7.

4.      Chan WC, Maxwell DJ, Gao X, Bailey RE, Han M, Nie S. Luminescent quantum dots for multiplexed biological detection and imaging. Curr Opin Biotechnol. 2002 Feb;13(1):40-6.

5.      Nguyen TL, Spizzirri P, Wilson G, Mulvaney P. Tunable light emission using quantum dot-coated upconverters. Chem Commun (Camb). 2009 Jan 8;(2):174-6.

6.      Pietryga JM, Schaller RD, Werder D, Stewart MH, Klimov VI, Hollingsworth JA. Pushing the band gap envelope: mid-infrared emitting colloidal PbSe quantum dots. J Am Chem Soc. 2004 Sep 29;126(38):11752-3.

7.      Bailey RE, Nie S. Alloyed semiconductor quantum dots: tuning the optical properties without changing the particle size. J Am Chem Soc. 2003 Jun 11;125(23):7100-6.

8.      Kim S, Bawendi MG. Oligomeric ligands for luminescent and stable nanocrystal quantum dots. J Am Chem Soc. 2003 Dec 3;125(48):14652-3.

9.      Gao X, Cui Y, Levenson RM, Chung LW, Nie S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nat Biotechnol. 2004 Aug;22(8):969-76.

10.  Bagalkot V, Zhang L, Levy-Nissenbaum E, Jon S, Kantoff PW, Langer R, Farokhzad OC. Quantum dot-aptamer conjugates for synchronous cancer imaging, therapy, and sensing of drug delivery based on bi-fluorescence resonance energy transfer. Nano Lett. 2007 Oct;7(10):3065-70.

11.  Wang J, Liu G, Wu H, Lin Y. Quantum-dot-based electrochemical immunoassay for high-throughput screening of the prostate-specific antigen. Small. 2008 Jan;4(1):82-6.

12.  Chen L, Chen C, Li R, Li Y, Liu S. CdTe quantum dot functionalized silica nanosphere labels for ultrasensitive detection of biomarker. Chem Commun (Camb). 2009 May 21;(19):2670-2.

13.  Jokerst JV, Floriano PN, Christodoulides N, Simmons GW, McDevitt JT. Integration of semiconductor quantum dots into nano-bio-chip systems for enumeration of CD4+ T cell counts at the point-of-need. Lab Chip. 2008 Dec;8(12):2079-90.

14.  Jokerst JV, Raamanathan A, Christodoulides N, Floriano PN, Pollard AA, Simmons GW, Wong J, Gage C, Furmaga WB, Redding SW, McDevitt JT. Nano-bio-chips for high performance multiplexed protein detection: determinations of cancer biomarkers in serum and saliva using quantum dot bioconjugate labels. Biosens Bioelectron. 2009 Aug 15;24(12):3622-9.

15.  Shi X, Wang SH, Shen M, Antwerp ME, Chen X, Li C, Petersen EJ, Huang Q, Weber WJ Jr, Baker JR Jr. Multifunctional dendrimer-modified multiwalled carbon nanotubes: synthesis, characterization, and in vitro cancer cell targeting and imaging. Biomacromolecules. 2009 Jul 13;10(7):1744-50.

16.  Sardesai N, Pan S, Rusling J. Electrochemiluminescent immunosensor for detection of protein cancer biomarkers using carbon nanotube forests and [Ru-(bpy)(3)](2+)-doped silica nanoparticles. Chem Commun (Camb). 2009 Sep 7;(33):4968-70.

17.  Bi S, Zhou H, Zhang S. Multilayers enzyme-coated carbon nanotubes as biolabel for ultrasensitive chemiluminescence immunoassay of cancer biomarker. Biosens Bioelectron. 2009 Jun 15;24(10):2961-6.

18.  Chen RJ, Choi HC, Bangsaruntip S, Yenilmez E, Tang X, Wang Q, Chang YL, Dai H. An investigation of the mechanisms of electronic sensing of protein adsorption on carbon nanotube devices. J Am Chem Soc. 2004 Feb 11;126(5):1563-8.

19.  Kim JP, Lee BY, Lee J, Hong S, Sim SJ. Enhancement of sensitivity and specificity by surface modification of carbon nanotubes in diagnosis of prostate cancer based on carbon nanotube field effect transistors. Biosens Bioelectron. 2009 Jul 15;24(11):3372-8.

20.  Peng G, Trock E, Haick H. Detecting simulated patterns of lung cancer biomarkers by random network of single-walled carbon nanotubes coated with nonpolymeric organic materials. Nano Lett. 2008 Nov;8(11):3631-5.

21.  Peng G, Tisch U, Haick H. Detection of nonpolar molecules by means of carrier scattering in random networks of carbon nanotubes: toward diagnosis of diseases via breath samples. Nano Lett. 2009 Apr;9(4):1362-8.

22.  Li C, Curreli M, Lin H, Lei B, Ishikawa FN, Datar R, Cote RJ, Thompson ME, Zhou C. Complementary detection of prostate-specific antigen using In2O3 nanowires and carbon nanotubes. J Am Chem Soc. 2005 Sep 14;127(36):12484-5.

23.  Basu M, Seggerson S, Henshaw J, Jiang J, del A Cordona R, Lefave C, Boyle PJ, Miller A, Pugia M, Basu S. Nano-biosensor development for bacterial detection during human kidney infection: use of glycoconjugate-specific antibody-bound gold NanoWire arrays (GNWA). Glycoconj J. 2004;21(8-9):487-96.

24.  Cui Y, Wei Q, Park H, Lieber CM. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species. Science. 2001 Aug 17;293(5533):1289-92.

25.  Zhang SF, Rolfe P, Wright G, Lian W, Milling AJ, Tanaka S, Ishihara K. Physical and biological properties of compound membranes incorporating a copolymer with a phosphorylcholine head group. Biomaterials. 1998 Apr-May;19(7-9):691-700.

26.  Zhang GJ, Chua JH, Chee RE, Agarwal A, Wong SM. Label-free direct detection of MiRNAs with silicon nanowire biosensors. Biosens Bioelectron. 2009 Apr 15;24(8):2504-8.

27.  Lee HS, Kim KS, Kim CJ, Hahn SK, Jo MH. Electrical detection of VEGFs for cancer diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamer-modified Si nanowire FETs. Biosens Bioelectron. 2009 Feb 15;24(6):1801-5.

28.  Patil S., Zajac A., Zhukov T., Bhansali S. Ultrasensitive electrochemical detection of cytokeratin-7, using Au nanowires based biosensor. Sensor Actuator B Chem. 2008;129:859–865.

29.  Fang Z, Kelley SO. Direct electrocatalytic mRNA detection using PNA-nanowire sensors. Anal Chem. 2009 Jan 15;81(2):612-7.

30.  Fang Z, Soleymani L, Pampalakis G, Yoshimoto M, Squire JA, Sargent EH, Kelley SO. Direct profiling of cancer biomarkers in tumor tissue using a multiplexed nanostructured microelectrode integrated circuit. ACS Nano. 2009 Oct 27;3(10):3207-13.

31.  Bangar MA, Shirale DJ, Chen W, Myung NV, Mulchandani A. Single conducting polymer nanowire chemiresistive label-free immunosensor for cancer biomarker. Anal Chem. 2009 Mar 15;81(6):2168-75.

3   32.  Tekin, İ., Oylar, Ö. Kanserin Teşhis ve Tedavisinde Nanoteknolojinin Önemi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt:16, Sayı:1, 2011.

        Kaynak: http://blogs.ubc.ca/etec565collab/tag/nanotechnology/page/2/

---