12.12.2018
Hongbo Zhang kom till Åbo Akademi 2016. Under de två år han varit verksam här har han haft en fantastisk produktion av artiklar samtidigt som hans i precisionsnanomedicin och diagnostik har utvecklat en mängd teknologier för medicinskt bruk.
Nanobioteknologi är en disciplin som knyter samman bioteknologi och nanoteknologi. Det är ett tvärvetenskapligt ämne som innefattar fysik, materialvetenskap, syntetisk organisk kemi, ingenjörskonst och biologi.
– För att verkligt effektivt kunna diagnostisera och behandla sjukdomar krävs det att man i detalj förstår mekanismerna för hur en sjukdom uppstår och verkar i kroppen, säger Hongbo Zhang biträdande professor i läkemedelsutveckling och diagnostik vid Åbo Akademi.
– Att hitta sätt att möjliggöra studiet och analysen av skeendena i kroppen, både kvalitativt och kvantitativt i realtid på en molekylärnivå är något som det finns stor efterfrågan på men det är också något som är verkligt svårt att uppnå.
Hongbo Zhang säger att nanobioteknologi handlar om att lösa fascinerande problem som biologin ställer oss inför genom att syntetisera specifika nanomaterial och finna specifika tekniker för att tillämpa dem medicinskt.
Hongbo Zhang har varit och är synnerligen aktiv. Han doktorerade vid ämnet farmaci vid Helsingfors universitet 2012 och spenderade därefter tre år som postdoc vid Harvarduniversitetet där hans handledare var David A. Weitz. Hongbo Zhang har fortsatt samarbetet med Weitz inom medicinska nanoteknologiska projekt med mikroflödesteknologi som specialitet.
– Mikroflödesteknik har en revolutionär effekt på diagnostik och biologiska applikationer. Det är ett av de viktiga områdena att behärska inom precisionsmedicinen.
Till Åbo Akademi kom Hongbo Zhang 2016 som tenure track-professor och har sedan dess etablerat en egen forskningsgrupp med 20 forskare. Under dessa två år har han publicerat 40 artiklar varav 18 är av Jufo 3-standard (högsta akademiska standard). Han blev i november i år utnämnd till biträdande professor.
Kinesiskt samarbete
Han har en mångdisciplinär bakgrund i farmakologi, nanoteknologi, mikroflödesteknik, precisionsmedicin, bioimaging. Hans kinesiska bakgrund har visat sig vara värdefull för Åbo Akademi då han kunnat etablera samarbeten med kinesiska universitet och företag under resor till Kina som han företagit med vicerektor Niklas Sandler och professor i farmaci och läkemedelsutveckling Jessica Rosenholm. Hongbo Zhang är också gästprofessor vid Jiaotonguniversitet i Shanghai som samarbetar med Ruijin-sjukhuset som är ett av Kinas mest ansedda sjukhus.
– Vi har etablerat ett nära samarbete med en mängd läkare vid Ruijin. De berättar vad de behöver och vi har teknologin att skapa det åt dem.
– Den kinesiska kopplingen är viktig på många sätt. Det är en sak att vi har teknologi och kunnande i Finland, men det finns inte tillräckligt stora resurser och marknader tillgängliga inom landet för att göra de satsningar som behövs för att kunna utveckla läkemedel till användbara och säljbara produkter. Kontakterna vi har hos Jiaotong och Ruijin ger oss därför ett värdefullt fotfäste, inte minst med tanke på att tjugo procent av industrijobben i Åboregionen är kopplade till läkemedelsindustrin. Vi har bildat ett bolag som heter ChinFin Incubator and Innovation Oy som lockat till sig kinesiskt riskkapital. Vi vill också finna vägar för finländska bolag in på den kinesiska marknaden och det gör vi i samarbete med Turku Science Park, säger Zhang.
– Samtidigt utvecklar vi också ett studerandeutbyte. Vi tar emot studerande från Kina och vi har sänt studenter till Shanghai. Just nu har vi ett gäng ÅA-studerande som ska tillbringa fyra till sex månader i staden. I framtiden avser vi öka den mängden. Det hela grundar sig på ett forskningscenter som jag, Rosenholm och Sandler skapat. Meningen är att i december åka till Kina för att sätta upp ett ÅA-kontor där för att locka hit kandidat- och magisterstuderande.
Nanomaterial
Det Hongbo Zhangs grupp främst jobbar med är funktionella nanomaterial för precisionsmediciner. Tillämpningen sker främst inom cancervård, vävnadsteknologi, benvävnadsregeneration och sårläkning.
– Vi försöker hitta och utveckla rätt typ av nanomaterial för olika uppgifter. Sedan använder vi 3D-printrar för att skapa dessa material. Vi stämmer av våra utvecklingsprojekt mot det som våra kliniker i Ruijin säger att de behöver. Jag diskuterar med dem och sedan försöker vi designa det som vi tror att kan fungera.
Att hitta sätt att leverera existerande cancermediciner till tumörer är en av de stora uppgifterna. Medicinerna i sig kan vara effektiva men tumörer de är designade att angripa består ofta av tät svårgenomtränglig vävnad, vilket betyder att det är svårt att nå tillräckligt djupt in i tumören för att medicinen ska ha verkan.
– För att komma in i tumörvävnaden måste läkemedelskapseln vara under 100 nanometer vilket man som referens kan säga att är storleken på ett större virus, och större än 10 nanometer för att inte rensas ut av njurarna. 10 nanometer är storleken på en större gasmolekyl.
De nanoläkemedelskapslar Hongbo Zhangs grupp tagit fram är 40 nanometer i omkrets – de rensas alltså inte ut av njurarna och kan infiltrera tumörvävnaden.
– Men här stöter man igen på ett problem: tumörens kärna är tätare än 40 nanometer, man måste ha en kapsel på mindre än 10 nanometer för att komma in i den. Når man bara tumörens yttre lager kan medicinen i och för sig gå åt den men kvar blir kärnan och den är ofta en aggressiv form som gör att det jobb man gjort med den yttre vävnaden bara leder till att man har det aggressivaste kvar. Det här stämmer också med hur många cancermediciner fungerar överlag. Man kan komma åt 90 procent av tumören men de 10 procent som är kvar har blivit resistenta mot medicinen som används.
Når man bara tumörens yttre lager kan medicinen i och för sig gå åt den men kvar blir kärnan och den är ofta en aggressiv form som gör att det jobb man gjort med den yttre vävnaden bara leder till att man har det aggressivaste kvar.
Därför har Hongbo Zhangs grupp konstruerat fyrtionanometerskapseln av ett fotokänsligt material som reagerar på infrarött ljus.
– Infrarött ljus går genom mänsklig vävnad, till skillnad från vanligt ljus. När man belyser området för tumören med infrarött ljus spjälkas våra fyrtionanometerskapslar som ligger och väntar i den yttre vävnaden upp till femnanometerskapslar som tränger in i tumörkärnan. På det sättet kommer vi åt hela tumören.
DNA–origami
Ett annat läkemedelsleveranssystem som Hongbo Zhangs grupp ägnat sig åt baserar sig på att vika DNA-strängar.
– DNA-nanoteknologi är en viktig sida av nanobioteknologin. Som en central genetisk molekyl i biologiska system har DNA många exceptionella egenskaper, bland annat dess biologiska funktion, biokompatibilitet, sin förmåga att känna igen molekyler, och att man teknologiskt kan kontrollera DNA-strängar på nanoskala.
– De här egenskaperna har gjort att man kunnat framställa fungerande DNA-nanostrukturer som fungerar som en naturlig bro mellan nanoteknologi och bioteknologi – vilket lett till tillämpningar som fått långtgående verkningar.
Som exempel har Honbo Zhangs grupp skapat DNA-strängar som går att vika ihop till lådor som omsluter den medicin man vill leverera till ett specifikt ställe i kroppen.
– Om det specifika stället är en tumör kan man bygga ett lås i den hopvikta DNA-strängen som bara öppnas då den stöter på en viss sekvens eller en viss yta – som man förstås kodat till tumören så att DNA-strängen vecklar ut sig då den stöter på den specifika vävnadstyp som utmärker måltumören. Måltumören blir låsets nyckel. Den här teknologin kallas DNA-origami.
En uppsjö av idéer och teknologi
En annan komplikation med tumörer är att de kan bestå av en mängd olika typer av celler som samtliga kan behöva olika typer av mediciner. Hongbo Zhangs grupp har tagit fram en diagnostik som kan separera varje enskild cell i ett sampel så att man kan göra exakt rätt sorts medicincocktail till en patient.
– Det innebär alltså en specifik cocktail till en specifik patient och ger oss möjligheten att genast med första försöket komma åt 100 procent av tumören vilket inte ger den någon chans att anpassa sig till medicineringen och bli resistent.
Det innebär alltså en specifik cocktail till en specifik patient och ger oss möjligheten att genast med första försöket komma åt 100 procent av tumören vilket inte ger den någon chans att anpassa sig till medicineringen och bli resistent
Ett annat av de många områden Hongbo Zhangs grupp forskar i är regenerativ benvävnad.
– Svåra skador på skelettet är svåra att reparera. Vi experimenterar med en 3D-printbar benstruktur som stimulerar benvävnaden att växa rätt och som är biologiskt nerbrytbar så att den försvinner ur kroppen av sig själv.
Biologiskt nerbrytbara material för att konstruera hjärtstentar som håller förträngda kranskärl öppna istället för de metallnät man nu använder är också aktuella – det nya materialet löses upp och försvinner ur kroppen av sig självt efter ett par år när det gjort sin uppgift.
För att ytterligare nämna ett användningsområde för teknologier Hongbo Zhangs grupp utvecklar: vätskepartiklar till ligament och leder som blivit nednötta av ålder eller sjukdom.
– Till skillnad från injektioner hålls våra partiklar kvar där de ska hållas och gör att leden fungerar igen och är så att säga permanent smord.
– Det fina med det här jobbet är att man får vara kreativ och designa saker, det finns en klar ingenjörsmässig designaspekt i mycket av det här som jag själv tycker om att jobba med.
