Krebs betrifft uns alle -- besonders die sehr invasiven und arzneimittelresistenten Formen, die immer wieder erneut ausbrechen und jeder Behandlung, auch mit den besten Medikamenten, trotzen. Die Molekulartechnik, bei der in kleinsten Maßstäben gearbeitet wird, eröffnet spannende neue Möglichkeiten, die aggressivsten Krebsarten zu bekämpfen.
Cancer affects all of us -- especially the ones that come back over and over again, the highly invasive and drug-resistant ones, the ones that defy medical treatment, even when we throw our best drugs at them. Engineering at the molecular level, working at the smallest of scales, can provide exciting new ways to fight the most aggressive forms of cancer.
Der Krebs ist eine sehr clevere Krankheit. Einige Krebsarten können wir nun mit bewährten Medikamenten und Operationen sehr gut behandeln. Andere Krebsarten hingegen reagieren nicht auf diese Behandlungen: Selbst nach einem Medikamentenbeschuss bleibt der Tumor oder kehrt zurück.
Cancer is a very clever disease. There are some forms of cancer, which, fortunately, we've learned how to address relatively well with known and established drugs and surgery. But there are some forms of cancer that don't respond to these approaches, and the tumor survives or comes back, even after an onslaught of drugs.
Man kann diese aggressiven Krebsarten mit Superschurken in Comics vergleichen. Sie sind intelligent, anpassungsfähig und äußerst überlebensfähig. Wie bei fast allen Superschurken heute stammen ihre Superkräfte aus einer genetischen Mutation. Die in den Tumorzellen veränderten Gene ermöglichen neue, ungeahnte Überlebenswege, wodurch der Krebs selbst unsere besten Chemotherapien überlebt.
We can think of these very aggressive forms of cancer as kind of supervillains in a comic book. They're clever, they're adaptable, and they're very good at staying alive. And, like most supervillains these days, their superpowers come from a genetic mutation. The genes that are modified inside these tumor cells can enable and encode for new and unimagined modes of survival, allowing the cancer cell to live through even our best chemotherapy treatments.
Ein Beispiel dafür ist ein Trick, bei dem ein Gen einer Zelle ermöglicht, ein Medikament, das sich der Zelle nähert, wieder hinauszuwerfen, bevor es seine Wirkung entwickeln kann. Die Zelle spuckt das Medikament quasi wieder aus. Das ist nur ein Beispiel von vielen genetischen Tricks des Superbösewichtes. Sie alle beruhen auf Genmutationen.
One example is a trick in which a gene allows a cell, even as the drug approaches the cell, to push the drug out, before the drug can have any effect. Imagine -- the cell effectively spits out the drug. This is just one example of the many genetic tricks in the bag of our supervillain, cancer. All due to mutant genes.
Gegen diese Superschurken mit unglaublichen Superkräften brauchen wir eine neue, starke Waffe. Wir sind in der Lage, ein Gen auszuschalten. Dies gelingt durch eine Gruppe von Molekülen namens siRNA. siRNA sind kurze Gencode-Sequenzen, die eine Zelle dazu bringen, ein bestimmtes Gen zu blockieren. Jedes siRNA-Molekül kann ein spezifisches Gen innerhalb der Zelle ausschalten. Schon viele Jahre, seit seiner Entdeckung, herrscht in der Wissenschaft reges Interesse an medizinischen Anwendungsmöglichkeiten dieser Genblocker.
So, we have a supervillain with incredible superpowers. And we need a new and powerful mode of attack. Actually, we can turn off a gene. The key is a set of molecules known as siRNA. siRNA are short sequences of genetic code that guide a cell to block a certain gene. Each siRNA molecule can turn off a specific gene inside the cell. For many years since its discovery, scientists have been very excited about how we can apply these gene blockers in medicine.
Aber da gibt es ein Problem. siRNA wirkt gut innerhalb der Zelle. Aber wenn es den Enzymen in der Blutbahn oder im Gewebe ausgesetzt ist, zerfällt es innerhalb von Sekunden. Es muss auf dem Weg durch unseren Körper bis zu seinem Endziel, der Krebszelle, verpackt und geschützt werden.
But, there is a problem. siRNA works well inside the cell. But if it gets exposed to the enzymes that reside in our bloodstream or our tissues, it degrades within seconds. It has to be packaged, protected through its journey through the body on its way to the final target inside the cancer cell.
Nun also zu unserer Strategie. Erst verabreichen wir der Krebszelle den Genblocker siRNA, damit die Überlebensgene ruhiggestellt werden. Dann erledigen wir die Zelle mit einer Chemo. Wie lässt sich das bewerkstelligen? Mit der Molekulartechnik können wir eine Superwaffe entwickeln, die die Blutbahn durchqueren kann. Sie muss winzig genug sein, um durch die Blutbahn zu gelangen, in das Tumorgewebe einzudringen und in die Krebszelle aufgenommen zu werden. Damit das gelingt, darf sie nur etwa ein Hundertstel der Größe eines menschlichen Haares haben.
So, here's our strategy. First, we'll dose the cancer cell with siRNA, the gene blocker, and silence those survival genes, and then we'll whop it with a chemo drug. But how do we carry that out? Using molecular engineering, we can actually design a superweapon that can travel through the bloodstream. It has to be tiny enough to get through the bloodstream, it's got to be small enough to penetrate the tumor tissue, and it's got to be tiny enough to be taken up inside the cancer cell. To do this job well, it has to be about one one-hundredth the size of a human hair.
Wie bauen wir nun ein solches Nanoteilchen? Beginnen wir mit dem Kern -- einer winzigen Kapsel, die das Chemo-Medikament enthält. Es ist das Gift, das die Tumorzelle tötet. Um diesen Kern wickeln wir einen nanometerdünnen Mantel aus siRNA -- unseren Genblocker. Da siRNA stark negativ geladen ist, kann man es mit einer Schicht aus positiv geladenem Polymer schützen. Die entgegengesetzt geladenen Moleküle halten durch die Anziehungskraft zusammen. Dadurch entsteht eine Schutzschicht, die den Zerfall von siRNA in der Blutbahn verhindert. Wir sind fast fertig.
Let's take a closer look at how we can build this nanoparticle. First, let's start with the nanoparticle core. It's a tiny capsule that contains the chemotherapy drug. This is the poison that will actually end the tumor cell's life. Around this core, we'll wrap a very thin, nanometers-thin blanket of siRNA. This is our gene blocker. Because siRNA is strongly negatively charged, we can protect it with a nice, protective layer of positively charged polymer. The two oppositely charged molecules stick together through charge attraction, and that provides us with a protective layer that prevents the siRNA from degrading in the bloodstream. We're almost done.
(Lachen)
(Laughter)
Aber es gibt noch ein großes Hindernis. Vielleicht das größte Hindernis von allen. Wie kommt die Superwaffe in ihr Einsatzgebiet? Mit einer guten Waffe muss man auch richtig zielen. Wir müssen unsere Superwaffe daher direkt auf die Schurkenzellen im Tumor richten.
But there is one more big obstacle we have to think about. In fact, it may be the biggest obstacle of all. How do we deploy this superweapon? I mean, every good weapon needs to be targeted, we have to target this superweapon to the supervillain cells that reside in the tumor.
Unser Körper hat jedoch ein natürliches Abwehrsystem: Zellen in der Blutbahn, die Fremdkörper aussortieren, sie zerstören oder beseitigen. Und natürlich wird unser Nanoteilchen als Fremdkörper betrachtet. Wir müssen es daher am Abwehrsystem vorbeischmuggeln. Damit es nicht als Fremdkörper aussortiert wird, müssen wir es tarnen.
But our bodies have a natural immune-defense system: cells that reside in the bloodstream and pick out things that don't belong, so that it can destroy or eliminate them. And guess what? Our nanoparticle is considered a foreign object. We have to sneak our nanoparticle past the tumor defense system. We have to get it past this mechanism of getting rid of the foreign object by disguising it.
Daher bringen wir um das Nanoteilchen noch eine negative geladene Schicht an, die zwei Zwecke erfüllt. Erstens besteht die äußere Schicht aus einem der natürlich geladenen, stark wasserhaltigen Polysaccharide in unserem Körper. Dieses bildet eine Wassermolekülwolke um das Nanoteilchen, wodurch es perfekt getarnt wird. Unter diesem Tarnmantel kann das Nanoteilchen lang und weit genug durch die Blutbahn reisen, um den Tumor zu erreichen, ohne vorher vom Körper beseitigt zu werden.
So we add one more negatively charged layer around this nanoparticle, which serves two purposes. First, this outer layer is one of the naturally charged, highly hydrated polysaccharides that resides in our body. It creates a cloud of water molecules around the nanoparticle that gives us an invisibility cloaking effect. This invisibility cloak allows the nanoparticle to travel through the bloodstream long and far enough to reach the tumor, without getting eliminated by the body.
Zweitens enthält diese Schicht Moleküle, die gezielt an unsere Krebszellen andocken. Daraufhin nimmt die Krebszelle das Nanoteilchen auf. Es befindet sich nun in der Krebszelle und ist einsatzbereit.
Second, this layer contains molecules which bind specifically to our tumor cell. Once bound, the cancer cell takes up the nanoparticle, and now we have our nanoparticle inside the cancer cell and ready to deploy.
Ja, ich fühle das Gleiche. Los!
Alright! I feel the same way. Let's go!
(Applaus)
(Applause)
Zuerst kommt siRNA zum Einsatz. Es wirkt mehrere Stunden und kann so die Überlebensgene blockieren. Nun haben wir die genetischen Superkräfte deaktiviert. Damit bleibt eine Krebszelle ohne besondere Abwehrkräfte. Dann kommt das Chemo-Medikament aus dem Kern und zerstört sauber und effizient die Tumorzelle. Mit genügend Genblockern können wir viele verschiedene Mutationen behandeln, wodurch Tumoren ausgefegt werden können, ohne dass ein einziger Bösewicht zurückbleibt.
The siRNA is deployed first. It acts for hours, giving enough time to silence and block those survival genes. We have now disabled those genetic superpowers. What remains is a cancer cell with no special defenses. Then, the chemotherapy drug comes out of the core and destroys the tumor cell cleanly and efficiently. With sufficient gene blockers, we can address many different kinds of mutations, allowing the chance to sweep out tumors, without leaving behind any bad guys.
Wie funktioniert also unsere Strategie? Wir haben die Nanostruktur-Teilchen in Tierversuchen mit einer sehr aggressiven Form von dreifach negativem Brustkrebs getestet. Bei diesem Brustkrebs tritt das Gen auf, das Krebsmedikamente sofort ausspuckt.
So, how does our strategy work? We've tested these nanostructure particles in animals using a highly aggressive form of triple-negative breast cancer. This triple-negative breast cancer exhibits the gene that spits out cancer drug as soon as it is delivered.
Brustkrebs wird zunächst meist mit Doxorubicin -- nennen wir es "Dox" -- behandelt. Daher behandelten wir die Tiere zuerst nur mit Dox. Die Wachstumsrate der Tumoren verlangsamte sich, aber sie wuchsen noch immer schnell und waren nach zwei Wochen doppelt so groß.
Usually, doxorubicin -- let's call it "dox" -- is the cancer drug that is the first line of treatment for breast cancer. So, we first treated our animals with a dox core, dox only. The tumor slowed their rate of growth, but they still grew rapidly, doubling in size over a period of two weeks.
Dann testeten wir unsere Kombinations-Superwaffe -- ein Nanoteilchen mit einer siRNA-Schicht und "Dox" im Kern. Das Tumorwachstum konnte nicht nur gestoppt werden, sondern die Tumoren schrumpften sogar und wurden in einigen Fällen ganz beseitigt. Die Tumoren bildeten sich jedenfalls zurück.
Then, we tried our combination superweapon. A nanolayer particle with siRNA against the chemo pump, plus, we have the dox in the core. And look -- we found that not only did the tumors stop growing, they actually decreased in size and were eliminated in some cases. The tumors were actually regressing.
(Applaus)
(Applause)
Toll ist, dass diese Behandlung auf den Patienten abgestimmt werden kann. Wir können viele verschiedene siRNA-Schichten hinzufügen, um verschiedene Mutationen und Tumorabwehrmechanismen zu behandeln. In den Kern können verschiedene Medikamente eingefüllt werden. Durch bessere Diagnosemethoden und mehr Wissen über bestimmte Genotypen von Tumoren können Ärzte ermitteln, bei welchen Patienten wir welche Genblocker einsetzen können.
What's great about this approach is that it can be personalized. We can add many different layers of siRNA to address different mutations and tumor defense mechanisms. And we can put different drugs into the nanoparticle core. As doctors learn how to test patients and understand certain tumor genetic types, they can help us determine which patients can benefit from this strategy and which gene blockers we can use.
Besonders nahe geht mir Eierstockkrebs. Das ist ein sehr aggressiver Krebs. Er wird erst in einem weit fortgeschrittenen Stadium erkannt, wenn bereits viele Genmutationen bestehen. Nach der ersten Chemoterapie kehrt der Krebs bei 75 % der Patientinnen zurück, meist in arzneimittelresistenter Form. Weit fortgeschrittener Eierstockkrebs ist einer der größten Superschurken. Wir wollen ihn nun mit unserer Superwaffe besiegen.
Ovarian cancer strikes a special chord with me. It is a very aggressive cancer, in part because it's discovered at very late stages, when it's highly advanced and there are a number of genetic mutations. After the first round of chemotherapy, this cancer comes back for 75 percent of patients. And it usually comes back in a drug-resistant form. High-grade ovarian cancer is one of the biggest supervillains out there. And we're now directing our superweapon toward its defeat.
Als Forscherin arbeite ich meist nicht direkt mit den Patienten. Aber vor kurzem traf ich Mimi, die Eierstockkrebs überlebt hatte, und ihre Tochter Paige. Beide waren voller Optimismus und Stärke, waren mutig und füreinander da, was mich sehr inspirierte. Bei der Veranstaltung ging es um Technologien gegen den Krebs. Mimi erklärte unter Tränen, dass unsere Bemühungen ihr Hoffnung für zukünftige Generationen gaben, auch für ihre Tochter. Das berührte mich sehr. Es geht hier nicht nur um vornehme Wissenschaft. Es geht darum, Menschenleben zu verändern. Es geht darum, die Macht der Molekulartechnik zu verstehen.
As a researcher, I usually don't get to work with patients. But I recently met a mother who is an ovarian cancer survivor, Mimi, and her daughter, Paige. I was deeply inspired by the optimism and strength that both mother and daughter displayed and by their story of courage and support. At this event, we spoke about the different technologies directed at cancer. And Mimi was in tears as she explained how learning about these efforts gives her hope for future generations, including her own daughter. This really touched me. It's not just about building really elegant science. It's about changing people's lives. It's about understanding the power of engineering on the scale of molecules.
Auf ihrem zukünftigen Berufsweg werden Studenten wie Paige neue Durchbrüche in der Lösung der großen Gesundheitsprobleme erzielen -- seien es Eierstockkrebs, neurologische Störungen oder Infektionskrankheiten --, genau wie die Chemotechnik mir innerhalb ihrer winzigen Maßstäbe -- auf Molekülebene -- die Möglichkeit bot, in menschlichen Maßstäben etwas zu bewirken.
I know that as students like Paige move forward in their careers, they'll open new possibilities in addressing some of the big health problems in the world -- including ovarian cancer, neurological disorders, infectious disease -- just as chemical engineering has found a way to open doors for me, and has provided a way of engineering on the tiniest scale, that of molecules, to heal on the human scale.
Vielen Dank. (Applaus)
Thank you. (Applause)