Δρ. Μαρία Νερατζάκη: Μικροσκοπικά σωματίδια-μαγνήτες στη μάχη κατά του καρκίνου του μαστού

Φανταστείτε ένα μέλλον όπου διάγνωση και θεραπεία του καρκίνου γίνονται ταυτόχρονα, και η νανοτεχνολογία ανοίγει το δρόμο για εξαιρετικά ακριβείς και εξειδικευμένες θεραπείες που θα περιορίσουν, ή και θα εκμηδενίσουν, τις παρενέργειες. Η Μαρία Νεραντζάκη συνδυάζει νανοτεχνολογία, πολυμερή και DNA για την ανάπτυξη νέων καινοτόμων θεραπειών στην αντιμετώπιση του καρκίνου.

Η Δρ. Μαρία Νεραντζάκη δημιουργεί αυτό το μέλλον. Ξεκίνησε στο τμήμα Χημείας του ΑΠΘ, όπου και ολοκλήρωσε το πτυχίο της στη Χημεία (2012), το μεταπτυχιακό δίπλωμα ειδίκευσης στη Χημεία και Τεχνολογία Πολυμερών (2014) και το διδακτορικό της δίπλωμα με τίτλο «Ανάπτυξη νέων πολυμερικών βιοϋλικών με ταυτόχρονη χρήση νανοπροσθέτων και φαρμακευτικών ουσιών για ιστομηχανικές εφαρμογές» (2017). Από το 2017 εργάζεται ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στη Γαλλία, αρχικά στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι (UPMC) και στη συνέχεια στο Ινστιτούτο Charles Sadron στο Στρασβούργο, ένα από τα κορυφαία ιδρύματα της Γαλλίας στη μακρομοριακή Χημεία. Το 2018, έλαβε μεταδιδακτορική υποτροφία 3 ετών από το ίδρυμα Μποδοσάκη για τη διεξαγωγή έρευνας πάνω στην ανάπτυξη καινοτόμων νανοσωματιδίων, για την ταυτόχρονη διάγνωση και θεραπεία του καρκίνου του μαστού.

Ποιο ακριβώς είναι το αντικείμενο της έρευνάς σου; Μπορείς να μας περιγράψεις πάνω σε τι δουλεύεις; 

Το ερευνητικό πεδίο είναι η μακρομοριακή Χημεία, η οποία ασχολείται με τα πολυμερή ή μακρομόρια, τα οποία είναι οργανικές κυρίως ενώσεις. Στην έρευνά μου, προσπαθώ να εκμεταλλευτώ κάποιες από τις ιδιότητες διάφορων μακρομοριακών ενώσεων και να αναπτύξω μεθόδους διάγνωσης και θεραπείας τοι καρκίνου του μαστού. Προσπαθούμε, λοιπόν, να συνθέσουμε στο εργαστήριο μαγνητικά νανοσωματίδια που αποτελούνται από ένα μαγνητικό πυρήνα και ένα πολυμερικό κέλυφος το οποίο περιέχει ένα χημειοθεραπευτικό παράγοντα.   Αυτά τα υβριδικά νανοσωματίδια αρχικά μπορούν να απεικονίζουν όγκους όπως ο καρκίνος του μαστού μέσω της κλασικής μαγνητικής τομογραφίας (ΜRI).  Μπορούν επίσης να μεταφερθούν από το ένα σημείο στο άλλο μέσα στο σώμα του ασθενή με έναν εξωτερικό μαγνήτη. Όταν λοιπόν ξέρουμε ήδη από προηγούμενες εξετάσεις πού ακριβώς βρίσκεται ο όγκος, μεταφέρουμε τα νανοσωματίδια στο σημείο εκείνο και ενεργοποιούμε μέσω υπερθερμίας την αποδέσμευση του φαρμάκου, ώστε να να καταστρέψουμε οριστικά  τα καρκινικά κύτταρα. 

Στην υπερθερμία, χορηγούμε ενδοφλέβια σκευάσματα που περιέχουν οξείδια του σιδήρου, τα οποία ανεβάζουν τοπικά τη θερμοκρασία του κυττάρου όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η αρχή της μεθόδου αυτής είναι ότι τα καρκινικά κύτταρα είναι ευαίσθητα σε θερμοκρασίες άνω των 43-44 βαθμών, ενώ τα υγιή όχι, και γι’αυτό τα καρκινικά κύτταρα καταστρέφονται επιλεκτικά έναντι των υγιών. Στη δική μου περίπτωση, η υπερθερμία χρησιμοποιείται ως μέσο για τη ελεγχόμενη απελευθέρωση του φαρμάκου από ένα πολυμερικό κέλυφος, το οποίο περιβάλλει τα μαγνητικά νανοσωματίδια. Ο συνδυασμός της τοπικής αύξησης της θερμοκρασίας με την έκλυση του φαρμάκου, προκαλούν το θάνατο των καρκινικών κυττάρων. Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι η έρευνά μου στοχευει στην ολιστική αντιμετώπιση του καρκίνου με αξιοποίηση της υπερθερμίας. Αυτή η θεραπευτική προσέγγιση από τη μια πλευρά, επιτρέπει την χημειοθεραπεία, με μειωμένες παρενέργειες, άρα και την αύξηση της χορηγούμενης δόσης, αφού αυτή καταλήγει κυρίως στον καρκινικό όγκο από την άλλη, η ταυτόχρονη υπερθερμία στην περιοχή του όγκου ενισχύει τη δράση της χορηγούμενης δόσης.

Λέμε λοιπόν ότι τα νανοσωματίδια αυτά είναι πολυδύναμα, αφού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία αλλά και τη διάγνωση του καρκίνου. Οι ιδιότητες αυτές είναι πολύ σημαντικές γιατί μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις παρενέργειες που έχει η χημειοθεραπεία, για παράδειγμα. Η χημειοθεραπέια δεν σκοτώνει επιλεκτικά τα καρκινικά κύτταρα, και γι’αυτό έχει τόσο σοβαρές παρενέργειες στους ασθενείς. Όμως, αν μπορούμε να ελέγξουμε την απελευθέρωση της φαρμακευτικής ουσίας ακριβώς όταν βρισκόμαστε στο σημείο του ενδιαφέροντος, οι παρενέργειες μπορούν να αποφευχθούν. Αυτό είναι το αντικείμενο της δουλειάς μου με λίγα λόγια.  

Η διαδικασία αυτή, η αποστολή αυτών των νανοσωματιδίων, είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται ήδη ως διαγνωστική μέθοδος; Στις μαστογραφίες, ας πούμε; 

Βεβαίως. Τα υπερμαγνητικά νανοσωματιδια οξειδίου του σιδήρου που μελετώ εγώ, χρησιμοποιούνται εδώ και χρόνια ως σκιαγραφικά μέσα στη μαγνητική τομογραφία για την απεικόνιση του γαστρεντερικού, του συκωτιού, της σπλήνας και των λεμφαδένων. Στις μαγνητικές μαστογραφίες χορηγούνται συνήθως ενδοφλέβια μαγνητικά σωματίδια  τα οποία περιέχουν γαδολίνιο, μαγγάνιο, αλλά και υπερμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου. Αυτά τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν μεν να χρησιμοποιηθούν ως διαγνωστικά εργαλεία, αλλά  μπορούν και να θεραπεύσουν τον καρκίνο με υπερθερμία. Η υπερθερμία ή ογκοθερμία λειτουργεί άριστα σε συνδυασμό με την χημειοθεραπεία, την ακτινοθεραπεία και άλλες συμπληρωματικές θεραπείες. Επίσης έχει  ευρεία εφαρμογή στα σαρκώματα, σε όγκους μαστού και  τραχήλου, καθώς και σε τοπικές υποτροπές καρκίνου και γι αυτό είναι διαδεδομένη θεραπεία στο εξωτερικό. Δυστυχώς νομίζω πως στην Ελλάδα το μοναδικό δημόσιο νοσοκομείο στο οποίο εφαρμόζεται δωρεάν είναι το Αρεταίειο στην Αθήνα.

Ποια είναι η διαδικασία που ακολουθείς για να κατασκευάσεις αυτά τα νανοσωματίδια; 

Θα μπορούσα να παρομοιάσω τα σωματίδια με μία μπάμπουσκα, επειδή τα συνθέτουμε σε διαδοχικές στρώσεις. Ξεκινάμε με τη χημική σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων, που θα αποτελέσουν το πυρήνα στο εσωτερικό. Όπως ανέφερα, πρόκειται για οξείδια του σιδήρου, τα οποία είναι κατάλληλα για εφαρμογές υπερθερμίας. Στη συνέχεια, πάλι με χημικές αντιδράσεις, συνθέτουμε ένα πολυμερικό κέλυφος που αποτελείται από μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή γνωστά και ως MIPς. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι κατα τη δημιουργία του πολυμερικού μανδύα χρησιμοποιούμε τα μόρια του φαρμάκου ως  μοριακό «εκμαγείο». Με τον πολυμερισμό λοιπόν, χτίζουμε ένα πολυμερικό δίκτυο γύρω από τα μόρια του φαρμάκου και τα εγκλωβίζουμε μέσα σε αυτό, όπως το κεχριμπάρι εγκλωβίζει ένα έντομο. Στη συνέχεια, για να αυξήσουμε ακόμα περισσότερο τη δυνατότητα εντοπισμού καρκινικών κυττάρων,  τροποποιούμε την επιφάνεια του πολυμερικού μανδύα με καποια μόρια ενεργούς στόχευσης , που τα ονομάζουμε και προσδέτες, όπως το φολικό  οξύ και η βιοτίνη. Τα μόρια αυτά καθιστούν τα νανοσωματίδιά μας ακόμα πιο ελκυστικά για τα καρκινικά κύτταρα. Επειδή τα καρκινικά κύτταρα έχουν την τάση να πολλαπλασιάζονται με πολύ γρήγορο ρυθμό, είναι και λαίμαργα, και χρειάζονται ακόμα περισσότερες βιταμίνες σε σχέση με τα υγιή κύτταρα ώστε να πολλαπλασιαστούν. 

Οι χημικές αντιδράσεις κρατούν μερικές μέρες, δεν είναι απλά θέμα ωρών. Σε κάθε βήμα της αντίδρασης επεξεργαζόμαστε το υλικό ώστε να αφαιρούμε, για παράδειγμα την περίσσεια αντιδραστηρίων, και στο τέλος χαρακτηρίζουμε το τελικό σκεύασμα. Κοιτάμε, δηλαδή, στο μικροσκόπιο τί φτιάξαμε και αν έχει όλες αυτές τις δομές που περιμένουμε. Μετά αξιολογούμε τις φυσικοχημικές ιδιότητες, τη χημική δομή και την ικανότητα ελεγχόμενης αποδέσμευσης του φαρμάκου με την εφαρμογή ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Επίσης, με in vitro δοκιμές προσπαθούμε να κατανοήσουμε το μηχανισμό με τον οποίο προσλαμβάνονται τα μαγνητικά νανοσωματίδια από τα κύτταρα, πάντα σε συνθήκες που προσομοιάζουν πιθανή in vivo χορήγηση τους. Τέλος, ελέγχουμε την κυταρροτοξική τους δράση σε υγιή κύτταρα και αλλά και σε κύτταρα από καρκίνο μαστού ανθρώπου, με ή και χωρίς την παρουσία μαγνητικού πεδίου.  Τα μέχρι τώρα αποτελέσματα είναι πολύ ελπιδοφόρα και γι΄αυτό θα ήθελα στο μέλλον να μπορέσουμε να δουλέψουμε και σε πραγματικές συνθήκες, με πειραματόζωα. Προς το παρόν, όμως, το κόστος είναι απαγορευτικό. προσδιοριστεί ο μηχανισμός με τον οποίο προσλαμβάνονται τα μαγνητικά νανοσωματίδια από τα κύτταρα.

Εφαρμόζεται ήδη με κάποιο τρόπο ή σε κάποια άλλη μορφή αυτού του είδους η θεραπεία; 

Εφαρμόζονται μεμονωμένα κάποια από τα στοιχεία που εμείς συνδυάζουμε σε μια δομή πυρήνα-κελύφους. Η χρήση μαγνητικών σωματιδίων και η υπερθερμία, για παράδειγμα, εφαρμόζονται όπως είπαμε προηγουμένως εδώ και χρόνια. Η στοχευμένη θεραπεία με μόρια ενεργούς στόχευσης έχει κατοχυρωθεί από εταιρείες και χρησιμοποιείται ήδη σε θεραπείες. Η αξιοποίηση της υπερθερμίας τωρα, για την ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκου από ένα μοριακά αποτυπωμένο πολυμερές είναι μια πολύ καινούργια τεχνική με εξαιρετικά αποτελέσματα, που βρίσκεται όμως ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι ακολουθώντας  τη σύγχρονη τάση για ταυτόχρονη διάγνωση και θεραπεία προσπαθούμε να αναπτύξουμε νανοσωματίδια που συγκεντρώνουν όσο το δυνατόν περισσότερα στοιχεία-κλειδιά για την αντιμετώπιση του καρκίνου. Παρόλα αυτά, για να είμαι ειλικρινής χρειάζονται ακόμα πολλές μελέτες για να φτάσουν τα νανοσωματιδια αυτά στη φάση της κλινικών δοκιμών και ακόμη περισσότερες για να εγκριθούν ως φαρμακευτικό σκεύασμα πλέον από την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA). Για να γίνει αυτό θα πρέπει να κατοχυρωθεί η ανακάλυψη με  πατέντα και να ζητηθεί άδεια για τη χορήγηση του σκευάσματος σε ασθενείς, αφού έχουν συγκεντρωθεί όμως όλα τα απαραίτητα  στοιχεία σχετικά με την ασφάλεια, την καταλληλότητα και τη βιοσυμβατότητα όλων των δομικών. 

Τι συμβαίνει σε αυτά τα σωματίδια αφού χορηγηθούν και κάνουν τη δουλειά τους στον όγκο; Απορρίπτονται; Ή δεν έχει σημασία επειδή είναι τόσο μικρά; 

Το τι θα συμβεί με τα νανοσωματίδια  εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος τους. Τα νανοσωματίδια που παρασκευάζουμε εμείς έχουν διάμετρο περίπου 50nm, και μπορούν να αποβληθούν από το σπλήνα και το ήπαρ μέσα από το σύστημα φαγοκυττάρωσης. Στα όργανα αυτά, υπάρχουν φαγοκύτταρα που «περικυκλώνουν» το «θύμα»-σωματίδιο και ενώνονται με αυτό εγκολπώνοντας το. Τα εγκλωβισμένα νανοσωματιδία αποθηκεύονται έπειτα σε κυστίδια από μεμβράνη, τα ενδοσώματα, και παραμένουν εκεί για ένα μήνα περίπου προτού υποστούν πέψη και αποβληθούν από τον οργανισμό. Η συσσώρευση μαγνητικών νανοσωματιδίων, κυρίως συσσωματωμάτων, στο συκώτι του ασθενούς μετά από μήνες θεραπείας θα μπορούσε ωστόσο να δημιουργήσει πρόβλημα και γι αυτο υπάρχει μεγάλη συζήτηση για το αν η πιθανή χορήγησή τους in vivo θα είναι ασφαλής.  Η ομάδα στο Παρίσι, προβληματιζόταν πολύ πάνω σ’αυτό το θέμα και έχει κάνει πολλές μελέτες τοξικότητας σε τρισδιάστατα (3D) κυτταροκαλλιεργητικά μοντέλα, όπως η αντίστοιχη μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2019. Συμπερασματικά λοιπόν από τις μελέτες αυτές δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι τα νανοσωματίδια που μελετάμε μπορούν να βλάψουν τον οργανισμό γιατί αν και η διαδικασία της φαγοκυττάρωσης είναι αρκετά αργή, τελικά διασπώνται, ο σίδηρος απελευθερώνεται και αποθηκεύεται με τη μορφή της φερριτίνης μέσα στα κύτταρα.

Έχει σημασία ότι ο καρκίνος που μελετάς είναι ο καρκίνος του μαστού ή θα μπορούσε αυτή η μέθοδος να εφαρμοστεί και σε άλλου τύπου καρκινικά κύτταρα; 

Ναι φυσικά θα μπορούσε. Εμείς στοχεύουμε στην αντιμετώπιση του καρκίνου του μαστού, γι αυτό και χρησιμοποιήσαμε την αντικαρκινική ένωση  δοξορουβικίνη και προσδέτες που στοχεύουν καρκινικά κύτταρα του μαστού.  Είναι σημαντικό ότι η υπερθερμία δουλεύει πολύ καλά στον καρκίνο του μαστού. Θεωρητικά όμως, οποιοσδήποτε συμπαγής όγκος προσφέρεται για την εφαρμογή της  υπερθερμίας. 

Για ποιο λόγο, ενώ ξεκίνησες τη μετα-διδακτορική σου έρευνα στο Παρίσι, μετακόμισες τα τελευταία δύο χρόνια στο Ινστιτούτο Charles Sadron στο Στρασβούργο; 

Πράγματι, το 2017, ξεκίνησα την έρευνα μου ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια, υπότροφος του Ιδρύματος Μποδοσάκη, στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι.  Για 2 χρόνια δούλευα στο εργαστήριο PHENIX, ως μέλος της ερευνητικής ομάδας που ίδρυσε  ο καθηγητής Rene Μassart, ο πρώτος που παρασκεύασε υπερπαραμαγνητικά νανοσωματιδία μαγνητίτη με μια απλή και επαναλήψημη χημική μέθοδο που ακόμη και σήμερα θεωρείται η πιο επιτυχημένη και έχει πάρει φυσικά και το όνομα του. Θεωρείται λοιπόν κι όχι άδικα, ο “πνευματικός πατέρας” των υλικών αυτών και οι ερευνητές του εργαστηρίου που εργάζονται στο εν λόγω εργαστήριο έχουν μεγάλη εξειδίκευση και εμπειρία στον τομέα των μαγνητικών νανοϋλικών. Πιστεύω ειλικρινά πως έκανα την καλύτερη επιλογή ερευνητικής ομάδας, απο τη στιγμή που αποφάσισα να ασχοληθώ με το συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο. 

Ο  λόγος τώρα που μετέφερα την έρευνά μου στο Στρασβούργο ήταν για να βρεθώ και πάλι κοντά σε κορυφαίους επιστήμονες, αυτη τη φορά στον τομέα των πολυμερών. Από 2019 λοιπόν συνεχίζω ως μεταδιδάκτορας στο Ινστιτούτο Charles Sedron και συγκεκριμένα στην ομάδα του διακεκριμένου καθηγητή Jean-Francois Lutz.  Στο Ινστιτούτο Charles Sedron, συνδυάζουμε πολυμερή που μπορούν να μεταφέρουν φάρμακα με  μόρια DNA,  και προκύπτουν υλικά ικανά να εντοπίζουν καρκινικά κύτταρα με εξαιρετική ακρίβεια. Κάθε κατηγορία καρκινικού κυττάρου έχει στην επιφάνειά της κάποιες συγκεκριμένες πρωτεΐνες, τις οποίες αναγνωρίζει και “κλειδώνει” μία μονή αλυσίδα DNA όπως το ένζυμο αναγνωρίζει το υπόστρωμα του.  Οι αλυσίδες αυτές λέγονται aptamers (απταμερή), έχουν ανακαλυφθεί πρόσφατα και θεωρούνται τα alter ego των μονοκλωνικών αντισωμάτων, μόνο που προσφέρουν πολύ περισσότερα πλεονεκτήματα. Για τη σύνδεση ενός συνθετικού πολυμερούς με ένα τμήμα φυσικού πολυμερούς όπως το DNA, χρειάζονται δεκάδες διαδοχικές αντιδράσεις και είναι μια πολύ απαιτητική διαδικασία που την περιγράψαμε για πρώτη φορά σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό  ACS MacroLetters.