Inspireret af naturens perfekte design udvikler nanoforskere og bioteknikere nye mikroskopiske teknologier, som kan udradere kræft og genskabe knogler og livsvigtige organer
En mand ligger i en hospitalsseng med tredjegrads forbrændinger over hele kroppen.
Uden at patienten mærker det mindste, prikker en sygeplejersken hul i huden med en ultratynd plastiknål. Nålen er designet som en myggesnabel og er langt mere præcis end normale stålkanyler. Bedøvelsen sender brandofferet i drømmeland, så lægerne kan placere falsk hud over kroppens forkullede arvæv. Huden består af syntetisk edderkoppesilke vævet sammen til et superstærkt gitter i mikroskopisk størrelse. Strukturen er fem gange stærkere end stål, men langt mere elastisk og perfekt til at gendanne ødelagt arvæv. Da patienten igen er vågen, lapper sygeplejerskerne sårene sammen med en vandafvisende superlim baseret på den klæbende slim, som snegle og muslinger afgiver. Et par uger senere er det vanskeligt at se, hvor den naturlige hud slutter, og det syntetiske væv begynder.
Øglespyt og hajskæl mod sygdomme
Ovenstående scenarie kan meget snart blive almen praksis på hospitaler verden over. Ifølge nanoforskere og bioteknikere er det nemlig blot et spørgsmål om tid, før ny medicin og behandlingsteknikker, inspireret af dyrenes biologi, overtager operationsstuerne. I slutningen af juli måned præsenterede bioingeniører fra Harvard University en ny, vandafvisende superlim baseret på slimsekretet fra den orange skovsnegl Arion subfuscus. Sneglelimen består af 97 pct. vand og er derfor perfekt til at lappe sår sammen på våde hudoverflader.
Forskerne fra Harvard University er langtfra de eneste, der skæver til naturen for inspiration. Laboratorier verden over udvikler lige nu syntetiske udgaver af alt fra edderkoppesilke, øglespyt og hajskæl.
Formålet er at genskabe naturens perfekte design til medicinsk brug, så patienter kan få glæde af dyrenes superkræfter.
»Lægevidenskaben har altid ladet sig inspirere af naturen, men det er først de seneste 10-15 år, at vi er blevet i stand til at forstå mekanismerne bag dyrenes fantastiske egenskaber. Med elektromikroskoper og gen- og nanoteknologi kan vi nu isolere, undersøge og genskabe naturens byggesten,« siger Torben Lenau, der er lektor ved DTU Mekanik på Danmarks Tekniske Universitet og en af landets førende bionik-forskere.
Gedemælk med edderkoppespind
Bionik eller biomimetik, som videnskaben også kaldes, forsøger at imitere naturen helt ned på molekyleniveau til at udvikle nye teknologier inden for medicin, arkitektur og kunstig intelligens. Lige nu arbejder Torben Lenau selv på en kanylenål, inspireret af myggens snabel, som bliver fem gange tyndere end andre stålkanyler. Nålen består af plastik og er langt mere præcis og bøjelig end de stålkanyler, som borer sig gennem patienternes hud i dag. Desuden er den lettere at bortskaffe og uskadeliggøre, så den ikke udgør en smittefare.
En anden dansk forsker, lektor Henrik Birkedal fra iNANO og Kemisk Institut i Aarhus, forsker i materialer inspireret af blåmuslingen, som han forventer vil kunne forbedre visse typer af kirurgi ved at tillade lægen at lime sår sammen inden i kroppen.
Når videnskabsfolk zoomer helt ind på naturens mikroskopiske byggeklodser og forsøger at genskabe dem som syntetisk materiale, arbejder de på en såkaldt nanoskala.
Materialer bygget i nanoskala er typisk mindre end 100 nanometer på den korteste led. En nanometer er en milliontedel af en millimeter – eller cirka 70.000 gange tyndere end et menneskehår. Men selvom det lykkes at skabe syntetisk stof, der efterligner dyrenes biologi helt ned på nanoskala, er det langtfra sikkert, at teknologien opfører sig på samme måde som sit forbillede.
»Når vi manipulerer ned på nano-niveau, kan vi lege vorherre og bygge strukturer op fra bunden. Men det er ikke nok at kortlægge og genskabe grundkemien i stoffet. Da forskere f.eks. genskabte edderkoppesilke ved hjælp af genmanipulation, reagerede det syntetiske stof ikke fuldstændig som ønsket. Det skyldes, at edderkoppen manipulerer silken med bagkroppen og tilføjer strukturen andre kemikalier i processen. For at lave en tro kopi af det stærke stof er forskerne altså også nødt til at analysere, hvad edderkoppens bagkrop foretager sig, mens substansen frigives. Og dér er vi ikke helt endnu,« forklarer han.
Syge køer reddede millioner
Siden den græske videnskabsmand Hippokrates skrev de første lægebøger for mere end 2.000 år siden, har naturen spillet en afgørende rolle i sygdomsbekæmpelse. Siden dengang er urter blevet brugt til at slå feber ned og lindre sår på kroppen, men også dyrenes biologi har medvirket til at udradere dødelige sygdomme i hundreder af år.
Mest berømt er vaccinationen mod den frygtede sygdom kopper, som videnskabsmanden Edward Jenner præsenterede i slutningen af 1700-tallet. Ved at kradse den langt mildere ko-koppe-virus ind i huden på patienter, programmerede Jenner immunforsvaret til at genkende og nedkæmpe de langt farligere menneskekopper, inden sygdommen nåede at sprede sig.
Før vaccinationen døde 400.000 mennesker årligt af den frygtede sygdom, men få år efter introduktionen af kuren med ko-kopper faldt dødstallet til under tusind om året. I dag er den fuldstændig udryddet.
Med introduktionen af nanoteknologi har lægevidenskaben fået langt flere værktøjer til rådighed, end Edward Jenner havde i sin lægetaske for tre århundreder år siden. Nanoteknologi har potentiale til at reproducere organer og nye reservedele til kroppens ødelagte væv eller knogler ved at udvinde patientens stamceller og lave en kopi af de byggesten i kroppen, som er gået i stykker. Lige nu er det realistisk at lave knogler, brusk og hud. På længere sigt vil det blive muligt at lave levere, nyrer, hjerter og måske endda også hjernevæv, vurderer Jørgen Kjems, der er centerleder ved iNANO på Aarhus Universitet.
»Naturen har haft millioner af år til at udvikle sig og gøre tingene rigtig effektivt. Med nanoteknologi kan vi nu kopiere naturens superegenskaber og tage lægevidenskaben helt nye steder hen. Man kan næsten ikke forestille sig nogen begrænsninger,« siger han.
Skovhugst smadrer potentialet
De nye behandlingsformer, inspireret af naturens design, kommer ikke blot patienterne til gode. Ifølge Jørgen Kjems er der også i det lange løb mange penge at spare ved at satse på nanomedicin.
»Medicinen er så effektiv, at man skal bruge meget mindre af den i modsætning til traditionel medicin. Nanomedicin har også langt færre bivirkninger, så sygdomsperioden bliver kortere. På den måde sparer man sundhedssektoren for en masse udgifter til følgevirkninger,« siger han.
Torben Lenau er enig i, at nanomedicin og bionik er vejen frem, hvis hospitalerne skal kunne behandle alt fra kræft til knoglebrud langt mere effektivt. Men det kræver, at vi stopper vores rovdrift på naturen, forklarer han.
»For sygdomsbekæmpelse bliver bionik og nanoteknologi altafgørende. Derfor er det også ekstremt ærgerligt, at vi fælder regnskove i ét væk. Når dyrearter uddør, går vi glip af en potentiel skattekiste af gode ideer. Hvis vi bliver ved med at smadre naturen og dyrenes levesteder, risikerer vi, at fremtidens geniale medicin aldrig ser dagens lys.«
Derfor skal vi lære af dyrene
Der er tre grunde til, at nanomedicin er effektivt. Den målretter behandlingen, genopbygger kroppen og overvåger sygdomme
Nanopartikler kan bruges til at transportere medicin rundt i kroppen og målrette medicinen til at hægte sig fast på syge celler. Men ikke nok med det, så kan ny nanomedicin ved navn CRISPR/Cas9 også behandle helt specifikke dele af cellen. CRISPR/Cas9 gør det muligt for lægerne at reparere ét enkelt sted i dna’et, der indeholder en genetisk defekt.
Potentielt set kan nanomedicinen altså gå ind og reparere defekte gener og derved forhindre genetisk medfødte sygdomme.
Genopbygger kroppen
Inspireret af bl.a. komplekse strukturer i naturen og hos dyr som edderkopper kan nanoforskere konstruere stilladser, som kan huse stamceller specifikke steder i kroppen. Stilladset består af mikroskopiske huller, som stamcellerne hægter sig fast i, og som efterfølgende genopbygger det ødelagte væv i kroppen, som skal genskabes – f.eks. knogler eller brusk.
Men nanomedicinen kan også overvåge sygdomme i kroppen. Inspireret af f.eks. molekyler fra ildfluer, der får insektet til at lyse op, kan nanomedicin fungere som en sporhund i kroppen, der kan lokalisere potentielle sygdomme.
Sensorerne består af bittesmå strukturer, som giver et farve- eller elektrisk signal, når cellerne kommer i kontakt med den specifikke sygdom i kroppen.
