Door Corona staat het massavaccineren volop in de belangstelling. En daarbij valt regelmatig de term nanovaccins. Daarnaast wordt nanotechnologie ingezet als medicijnkoerier en adjuvans (een stof zonder werking die de werking van andere stoffen versterkt). De betekenis van medische nanotechnologie is voor ziektebestrijding en e-health toepassingen echter veel breder dan menigeen denkt.
De term nano (=0,000001 mm) slaat uiteraard op heel klein, maar waar worden die minuscule afmetingen dan voor ingezet? Dat zijn bij de vaccinatie het slim verpakken van virusmateriaal of antigenen (nano-vaccins), de productie van vaccins en het toedienen met uiterst kleine naalden. Bij medicatie en moleculaire therapieën verschaft nanotechnologie een ideale transporteur met bezorging precies op de plaats van de doel- of aangedane menselijke cellen.
Krachtige dwerg
Onder nanotechnologie verstaat men het op zeer kleine schaal aanmaken en toepassen. Het woord is afgeleid van het Griekse nanos, dat dwerg betekent. Deze technieken werken in de afmetingen van 1 tot 200 nanometer. Bekend zijn de toepassingen in de ICT /computerchips, communicatietechnologie, gezondheidsorg, geneeskunde, microbiologische processen, tv-techniek, moleculaire robotica, slimme antizweetkleding, energie en milieu. Daarbij is de afgelopen 15 jaar enorme vooruitgang geboekt.
Het is uiteraard niet alles goud dat er bij nano blinkt. Het RIVM waarschuwde al voor verontreiniging door voor de mens en dier schadelijke naodeeltjes. En in het SF-genre Science Fiction tieren de ontaarde cyborgs (deels mens en deels machine) welig. Neem de Borgs uit Star Trek: “Resistence is futile, you will be assimilated.”
Nano-vaccins
Bij de vaccins zoals tegen Covid19 draait het bij nano om zowel de afmetingen bij het transport als de productie. Bijvoorbeeld het afleveren van antigenen, de adjuvans (toegevoegde stoffen die het effect / werking verbeteren) en het nabootsen van virusstructuren (mimics).
Het eerste ontwikkelde coronavaccin functioneerde op basis van nanolipiden (zeer kleine vetstructuren) als drager en mRNA als antigeen. Een daaropvolgende techniek is die van viral vector based vaccins. Deze vaccinatietechniek werkt met een gemodificeerd virus dat via een drager (de vector) in de menselijke cellen belandt. Die gaan dan vervolgens antigenen produceren waarop het immuunsysteem reageert.
Bij SARS-CoV2 gaat het dan om de productie van virusspikes (uitsteeksels op het viruslichaam) als antigeen. Ook bij Ebola werd viral vector vaccine met succes toegepast. Andere kandidaten zijn HIV en Malaria. Aanvankelijk was de vector een ander onschuldig of onklaar gemaakt dragervirus. De nanotechniek verschaft andere heel werkzame kunstmatig gemaakte vectoren. Bijvoorbeeld lipiden, peptiden en kunststofpolymeren.
Een nieuw hepatitis B-vaccin gaat gebruikmaken van nanotechnologie die zowel slim transport als een ondersteunende adjuvans-werking biedt. De nano-hulpstof verbetert het herkennen en reageren (antigen-respons) van de betrokken cellen. Dan hoeft er ook minder antigen in een vaccinatiedosis te zitten.
Pijnvrije vaccinaties
Waarom zo’n grote naald gebruiken als minimale vaccindoseringen al voldoende zijn? In feite gaat het hierbij om de klassieke instrumentele benadering van het oplossen in een aantal mm injectievloeistof die je in korte tijd onder de huid, in de spier of rechtstreeks in de bloedbaan wilt spuiten. En dat prikken doet pijn: Naald door de huid en de ingespoten vloeistof die druk uitoefent. Bij nanoprikken gebruikt meen een veel kleinere naald en geringere hoeveelheid entstof.
Hoe komt het middel dan met een nanonaald in het lichaam? Antwoord: de naalden zijn van buiten gecoat met het werkzame vaccin of geneesmiddel. Of de holle exemplaren zijn zo dun dat er slechts heel geringe hoeveelheden worden ingespoten.
Veelbelovend is de ontwikkeling van nano-injectienaalden. Die zijn zo klein dat je de prik niet voelt. Bovendien worden ze met een pleister op de huid aangebracht en gaan niet diep genoeg om zenuwen te prikkelen. Daarnaast worden er dan zoals gezegd ook geen hoeveelheden entstof ingebracht die druk en zwelling veroorzaken. Het uiteindelijke effect hangt er natuurlijk wel van af hoeveel werkende stof er effectief en voldoende gedoseerd het doelweefsel bereikt. Beide technieken van het nanovaccin en de nanonaald versterken elkaar hierbij.
Bijkomende voordelen: er is geen geschoold personeel voor nodig. De ontvanger kan het vaccineren ook zelf uitvoeren. En de geringe benodigde dosissen verlagen de kosten.
Medicijnboodschapper
Slimme koeriersdiensten voor medicijnen en het transport van antigen of antistoffen zijn een hot topic. Daarbij gaat het zowel om zeer kleine afmetingen als slimme doelgerichte transportmogelijkheden.
Eigenlijk ligt het voor de hand. Waarom zou je grote hoeveelheden vaccinatie- of infuusvloeistoffen en dikke pillen of capsules gebruiken als minimale hoeveelheden van het werkende middel afdoende zijn? Veelal krijg een patiënt een fikse hoeveelheid medicijn toegediend omdat er tijdens het transport veel van verloren gaat. Verpak de juiste hoeveelheid in een slim pakketje dat op de juiste plek arriveert en het werkt tientallen malen beter. Ook is er veel minder kans op intoxicatie door te grote ingeslikte of ingespoten hoeveelheden. Medicijnkoeriers op nanoniveau bestaan vaak uit biologisch afbreekbare polymeren van polyester’. Deze polymeren binden wel zo’n 10.000 moleculen per nanodeeltje.
Er doorheen glippen
Hoe kleiner het deeltje, des te groter de kans dat je niet voortijdig onderschept wordt en je op microniveau het beoogde doel in het menselijk lichaam bereikt. Grotere transportdeeltjes trekken al snel de aandacht van het menselijk immuunsysteem. Dat slaat dan aan het opruimen: weg medicijn of ander werkzaam bestanddeel. Het doordringen in de haarvaten, het passeren van de bloed-brein-barrière, openingen in de celwand en het bereiken van tumorcellen gaat een stuk beter als je klein bent.
Aanvullend is de werking van de aan de nanodeeltjes gekoppelde plakkers en hechters. Deze binden zich aan het doelgebied waardoor de nanokoerier op zijn plaats blijft zitten en de medicatie, vaccins of andere werkzame stof gestadig en gedoseerd kunnen afgeven.
Tegen kanker
Hoogwaardige nanopakketjes met medicijnen op of in tumorcellen aanbrengen, zijn een soort heilige graal. In hoge mate effectief en zo min mogelijke bijwerkingen en/of nevenschade aan andere organen. Er zijn meerdere mogelijkheden zoals: het zeer lokaal afleveren van cytostatica, het opwekken van immunorespons, gentherapie en augmented radiotherapie. Inmiddels wordt deze vorm van medische nanotechnologie al toegepast bij melanomen.
Diabetes
Nanotechnologie voor behandeling en monitoring van diabetes is sterk in opkomst. Voorop lopen de minder invasieve (geen prik meer) metingen en slimme toediening van insuline en antidiabetes medicatie. Zo heb je bijvoorbeeld afbreekbare polymere nanodeeltjes die op basis van de zuurgraad in het bloed insuline afgeven. En er is een nanosensor voor bloedsuikerwaarden gebaseerd op grafeen.
Een andere ontwikkeling is het verpakken met nanotechnologie van orale medicijnen die dan minder vatbaar zijn voor afbraak in de maag en/of het maagdarmkanaal. Als alternatief wordt er gekeken naar inhaalleerbare nanomedicatie. De combinatie van nanotechnologie met implantaten in de vorm van een orgaan op een chip (OoC), bijvoorbeeld een kunstalvleesklier) werd al in een eerdere blog besproken.
Moleculaire robotica
Nanobots die er op uittrekken om kankercelen, vaatobstructies en andere ongerechtigheden in het menselijk lichaam te elimineren zijn al geen toekomstmuziek meer. Er zijn twee vormen van mobiliteit: je als nanobot passief door bloed of lymfestroom laten vervoeren. Of een soort moleculaire wagentjes die zelf verder rijden als ze op hun toedieningsplek (targetspot) zijn aangebracht.
Nanobots op basis van natuurlijke, synthetische, carbon of metalen-materialen worden in toenemende mate ingezet voor fysical targeting op grote afstand. Kortom, nanotechnologie is niet alleen klein maar ook fijn. Betere behandelresultaten en minder last en bijwerkingen voor de ontvanger.
