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.
Nowotwór złośliwy dotyka nas wszystkich, szczególnie te jego postaci, które ciągle nawracają, bardzo inwazyjne, lekooporne, które nie poddają się leczeniu medycznemu, nawet jeśli atakujemy najlepszymi lekami. Inżynieria na poziomie molekularnym, praca na najmniejszej ze skal, daje fascynujące, nowe możliwości zwalczania najbardziej agresywnych rodzajów nowotworów złośliwych.
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.
Nowotwór złośliwy to przebiegła choroba. Na szczęście z pewnymi jego postaciami radzimy sobie relatywnie dobrze za pomocą znanych i skutecznych leków i zabiegów chirurgicznych. Są jednak rodzaje nowotworów złośliwych, które nie reagują na te sposoby leczenia, dlatego nowotwór pozostaje lub wraca, nawet po ataku lekami.
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.
Można sobie wyobrazić, że bardzo agresywne rodzaje nowotworów są niczym szwarccharaktery z komiksu. Są przebiegli, łatwo się przystosowują i doskonale posiedli sztukę przetrwania. Jak w przypadku większości dzisiejszych szwarccharakterów, ich niezwykłe moce pochodzą z mutacji genetycznych. Geny, które uległy zmianie wewnątrz komórek nowotworowych, umożliwiają i kodują nowe, niewyobrażalne sposoby przetrwania, co umożliwia nowotworowi złośliwemu przetrwać najlepsze zabiegi chemioterapii.
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.
Jednym z przykładów jest sztuczka, w której gen pozwala komórce, już wtedy, kiedy zbliża się do niej lek, wypchnąć ten lek, zanim przyniesie jakikolwiek skutek. Komórka skutecznie "wypluwa" lek. To tylko jeden z przykładów wielu genetycznych sztuczek, które ma w zanadrzu szwarccharakter, nowotwór złośliwy. Wszystko dzięki zmutowanym genom.
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.
Mamy przed sobą szwarccharakter o niesamowitych mocach. Dlatego potrzeba nowego i potężnego sposobu ataku. Możemy wyłączyć gen. Kluczem jest zbiór cząsteczek zwanych siRNA, krótkich sekwencji genetycznego kodu, które nakierowują komórkę na zablokowanie określonego genu. Każda cząsteczka siRNA potrafi wyłączyć konkretny gen wewnątrz komórki. Od czasu tego odkrycia naukowcy są bardzo zainteresowani tym, jak wykorzystać w medycynie cząsteczki hamujące ekspresję genów.
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.
Problem w tym, że siRNA działa skutecznie wewnątrz komórki. Jeśli zostanie poddany działaniu enzymów, które są w krwiobiegu lub tkankach, wtedy od razu się rozpada. Musi zostać zapakowany i chroniony podczas podróży w organizmie w drodze do punktu docelowego wewnątrz komórki nowotworowej.
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.
Oto nasza strategia. Najpierw podamy komórce nowotworowej dawkę siRNA hamującego ekspresję genów, i wyciszymy geny odpowiedzialne za przeżycie, a potem pokonamy ją za pomocą leku antynowotworowego. Jak tego dokonamy? Przy użyciu inżynierii molekularnej możemy zaprojektować superbroń, która może się przemieszczać po krwiobiegu, ale musi być bardzo mała. Musi być tak mała, żeby wniknąć w tkankę nowotworu, i odpowiednio mała, żeby zostać pobrana przez komórkę nowotworową. Żeby zrobić to dobrze, musi mierzyć około jednej setnej wielkości ludzkiego włosa.
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.
Przyjrzyjmy się temu, jak można zbudować taką nanocząsteczkę. Zacznijmy od jej rdzenia. To mała kapsułka zawierająca lek antynowotworowy. To trucizna, która uśmierci komórkę nowotworową. Wokół rdzenia owiniemy cienką powłokę, nanometrowej wielkości warstwę siRNA. To zahamuje ekspresję genów. siRNA jest silnie elektroujemny, dlatego możemy go ochronić warstwą pozytywnie naładowanego polimeru. Dwie przeciwnie naładowane cząsteczki przyciągną się do siebie dzięki przyciąganiu się ładunków, które zapewnia nam ochronną warstwę zapobiegającą rozpadowi siRNA we krwi. Prawie skończyliśmy.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Jest jeszcze jedna duża przeszkoda, o której należy pomyśleć. To chyba największa z przeszkód. Jak użyjemy tej superbroni? Każda dobra broń musi mi mieć cel. Musimy skierować tę superbroń przeciwko komórkom szwarccharakterów, które znajdują się w nowotworze.
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.
Nasze ciało ma naturalny, immunologiczny system ochrony, komórki znajdujące się w krwiobiegu, które wyłapują ciała obce, żeby je zniszczyć i wyeliminować. Nasza nanocząsteczka jest uznana za ciało obce. Musimy ją przemycić, omijając system ochronny nowotworu. Musimy ominąć mechanizm eliminacji obcego ciała, maskując ją.
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.
Dodajemy jeszcze jedną elektroujemną warstwę wokół nanocząsteczki, co służy dwóm celom. Po pierwsze, zewnętrzna warstwa składa się z naturalnie naładowanych, wysoko uwodnionych polisacharydów, które występują w organizmie. Tworzy to chmurę cząsteczek wody wokół nanocząsteczki, która daje efekt "szaty niewidzialności". "Szata niewidzialności" pozwala nanocząsteczce przemieszczać się po krwiobiegu wystarczająco długo i daleko, żeby dostać się do nowotworu, nie zostając wyeliminowaną z organizmu.
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.
Po drugie, warstwa zawiera cząsteczki, które łączą się z komórką nowotworową. Kiedy się połączą, komórka nowotworowa wchłania nanocząsteczkę, i dzięki temu mamy nanocząsteczkę wewnątrz komórki nowotworowej, gotową do ataku.
Alright! I feel the same way. Let's go!
Dobrze! Czuję to samo. Idziemy dalej!
(Applause)
(Brawa)
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.
Najpierw zostaje wykorzystane siRNA. Działa przez wiele godzin, dając czas na wyciszenie i zahamowanie genów odpowiedzialnych za przeżycie. Unieruchomiliśmy genetyczne supermocarstwo. Pozostaje komórka nowotworowa bez specjalnych mechanizmów obrony. Następnie lek antynowotworowy wydostaje się z rdzenia i niszczy komórkę nowotworową gładko i skutecznie. Dzięki odpowiedniej liczbie cząsteczek hamujących ekspresję genów można walczyć z różnymi rodzajami mutacji, dając szansę na pozbycie się nowotworów, bez pozostawienia jakichkolwiek śladów.
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.
Jak działa nasza strategia? Przetestowaliśmy nanocząsteczki na zwierzętach, wykorzystując bardzo agresywny rodzaj potrójnie negatywnego raka piersi, którego gen usuwa lek antynowotworowy zaraz po jego podaniu.
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.
Zazwyczaj doxorubicyna, w skrócie "dox", jest lekiem antynowotworowym używanym w pierwszej linii obrony przeciwko rakowi piersi. Najpierw podaliśmy zwierzętom rdzeń z dox. Guz spowolnił tempo wzrostu, ale nadal rósł szybko, podwajając wielkość w ciągu dwóch tygodni.
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.
Następnie spróbowaliśmy naszej połączonej superbroni. Nanowarstwowa cząsteczka z siRNA przeciwko pompie infuzyjnej, a dodatkowo w jej rdzeniu dox. Odkryliśmy, że nie tylko guzy przestały rosnąć, ale zmniejszyły rozmiar, i zostały wyeliminowane w niektórych przypadkach. Guzy ulegały reemisji.
(Applause)
(Brawa)
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.
Co ważne w tej metodzie, można to personalizować. Możemy dodać wiele różnych warstw siRNA, żeby skierować je przeciwko wielu mutacjom i mechanizmom obronnym nowotworu. Możemy umieścić różne leki w rdzeniu nanocząsteczki. Lekarze uczą się, jak badać pacjentów, i rozumieć genetyczne typy nowotworów, co pozwoli określić, którzy pacjenci mogą skorzystać z tej strategii, i które cząsteczki hamujące geny można wykorzystać.
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.
Rak jajnika porusza mnie szczególnie. To agresywna forma nowotworu złośliwego, po części dlatego, że wykrywa się go bardzo późno, kiedy jest bardzo zaawansowany, i wstępują liczne mutacje genetyczne. Po pierwszym cyklu chemioterapii rak powraca u 75% pacjentek. Zazwyczaj powraca w postaci odpornej na lek. Bardzo złośliwa forma raka jajnika to jeden z największych szwarccharakterów. Teraz kierujemy przeciw niemu superbroń, żeby go pokonać.
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.
Jako badaczka nie mam zazwyczaj kontaktu z pacjentami. Jednak niedawno spotkałam matkę o imieniu Mimi, która przeżyła raka jajnika, i jej córkę Paige. Głęboko zainspirował mnie optymizm i siła, którą miała matka i córka, i ich opowieść o odwadze i wsparciu. Podczas tego spotkania mówiłyśmy o różnych technologiach skierowanych przeciw nowotworom złośliwym. Mimi miała łzy w oczach, kiedy tłumaczyła, jak wiedza o tych wysiłkach daje nadzieję dla przyszłych pokoleń, włączając w to jej córkę. Poruszyło mnie to. Nie chodzi jedynie o tworzenie "eleganckiej" nauki. Chodzi o poprawę życia. Chodzi o zrozumienie potęgi inżynierii w skali molekularnej.
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.
Kiedy studenci tacy jak Paige będą rozwijać się zawodowo, stworzą nowe możliwości walki z poważnymi problemami zdrowotnymi na świecie, włączając w to raka jajnika, choroby neurologiczne i zakaźne. Tak jak inżynieria chemiczna otworzyła przede mną drzwi i pokazała sposób na inżynierię na najmniejszej ze skal, molekularnej skali, żeby leczyć na skalę człowieka.
Thank you.
Dziękuję.
(Applause)
(Brawa)