В скорошно проучване изследователите разработиха за първи път напълно автономна нанороботична система за специфично насочване към рака
В основен напредък в наномедицината, областта, която съчетава нанотехнологиите с медицината, изследователите са разработили нови начини за терапевтично лечение, използвайки много малки наночастици с размер на молекула (машини или роботи, които са близки до микроскопичния мащаб на нанометър 10-9m) до цел рак, в това забележително проучване, публикувано в Nature Biotechnology.
ДНК оригами нанобот: магическият транспортер
ДНК origami is a process in which a DNA is folded in a nanoscale level and is used to build active structures at the tiniest scales (origami as in the art of paper folding). DNA is a great storage of information and thus structures which are built out of it can be used as information carriers. In line with this capability, these DNA nanoparticles (or ‘DNA nanorobots’ or ‘nanorobots’ or simply ‘nanobots’) can move and lift cargo at the smallest scales for specific tasks in the human body and thus are suitable for many наноробот applications. The size of such a nanobot is 1000 times smaller than a single strand of human hair. This field of nanorobotics has been full of excitement for the past two decades and many experts have been focusing on developing such nanoscale structures based out on DNA which can fold themselves into all sorts of shapes and sizes to revolutionize medicine especially therapy and drug delivery.
Технологията на нанороботите вече се използва широко и вече направи революция в области като медицински изображения, устройства, сензори, енергийни системи, а също и медицина. В медицината наноботите имат значителни предимства главно защото не генерират вредни дейности, нямат възможни странични ефекти и са много специфични към кое място в тялото ще се насочат и върху какво ще действат. Първоначалната цена за разработване на нанороботи може би е висока, но производството, когато се извършва по конвенционалния метод на партидна обработка, намалява цената до голяма степен. Освен това, малкият размер на нанороботите ги прави идеални за насочване към бактерии и вируси. Също така, малък наноробот може да се инжектира много лесно в тялото и той лесно плава през кръвта (кръвоносната система) и помага при откриването на проблемите и тяхното лечение. Наноботите придобиха голямо значение в изследванията на рака, тъй като те могат да бъдат безболезнена алтернатива на химиотерапията, която иначе е много стресираща и поставя огромна лична и финансова тежест върху пациента. Химиотерапията е не само груб начин за лечение на рак, но освен че атакува раковите клетки, процедурата оставя няколко странични ефекти в тялото. И все пак науката не е успяла да открие нова алтернатива на химиотерапията за лечение на това животозастрашаващо заболяване, наречено рак. Наноботите имат потенциала да променят този сценарий през следващите години, като бъдат по-ефективна, по-интелигентна и целенасочена алтернатива, атакуваща рак.
Насочена към рак
В това скорошно проучване, сътрудничество между Държавния университет в Аризона, САЩ, и Националния център за Nano наука и технологии на Китайската академия на науките, Пекин, изследователите успешно са проектирали, изградили и внимателно контролирани автоматизирани наноботи за активно търсене и прецизно унищожаване на ракови тумори вътре в тялото – без да увреждат нито една от здравите клетки. Те преодоляха няколко предизвикателства, които тормозят нано учените в продължение на повече от две десетилетия, като проектираха и използваха много проста и ясна стратегия за търсене и унищожаване на тумора. Стратегията беше специално да се прекъсне кръвоснабдяването в туморната клетка чрез индуциране на коагулация на кръвта в туморната клетка с помощта на ДНК-базирани наноботи. И така, те измислиха нещо привидно просто - прикрепете ключов ензим за съсирване на кръвта (наречен тромбин) към повърхността на плоския, наноразмерен ДНК оригами нанобот. Средно четири молекули тромбин бяха прикрепени към плоската повърхност на ДНК оригами лист с размери 90nm на 60nm. Този плосък лист беше сгънат като лист хартия, което кара наноботите да се оформят във формата на куха тръба. Тези наноботи са били инжектирани в мишка (която е била предизвикана от агресивен туморен растеж), те пътуват по целия кръвен поток, достигайки и свързвайки се с целта си – туморите. Впоследствие товарът на нанобота – ензимът тромбин – се доставя, като по този начин блокира туморния кръвен поток, водещ до съсирване на кръвта в съдовете, които хранят туморния растеж, генерирайки разрушаване на туморната тъкан или клетъчна смърт. Интересно е, че целият този процес се случва много бързо и наноботите заобикалят тумора в рамките на часове след инжектирането. Доказателство за напреднала тромбоза във всички туморни клетки се наблюдава след 36 часа от инжектирането.
Освен това, авторите се погрижиха и за включване на специален полезен товар върху повърхността на нанобота (наречен ДНК аптамер), който би бил насочен специално към протеин, наречен нуклеолин, който се произвежда във високи количества само на повърхността на туморните клетки, като по този начин намалява шансовете наноботите някога да атакуват здравите клетки са нулеви. Тези наноботи не само намаляват и убиват туморните клетки, но и предотвратяват метастази – вторичен раков растеж на отдалечено място.
Безопасност и ефективност
Авторите подчертават, че наноботите са безопасни и имунологично инертни за използване при мишки и дори прасета и използването на наноботи не показва промени в нормалната коагулация на кръвта другаде или в клетъчната структура или какъвто и да е breehinto в мозъка. По този начин те са определени като безопасни и ефективни за насочване и свиване на тумори без никакви възможни нежелани странични ефекти. За повечето от наноботите също се виждаше, че се разграждат и се изчистват от тялото след 24 часа. Въпреки че наноботите могат да бъдат проектирани в модел на „възпроизвеждащи се наноботи“, което е разбираемо за намаляване на разходите, тъй като се правят няколко копия и други наноботи се генерират самостоятелно, ясно е, че такъв подход трябва да се прилага само при специални обстоятелства . Що се отнася до областта на медицината, трябва да има и надежден превключвател за изключване, за да се предпазят от всякакви екстремни обстоятелства. Правните органи трябва да разработят разпоредби, за да избегнат всякаква злоупотреба с наноботи в медицината, например оръжейни наноботи. Всички фактори, когато се претеглят, ефикасността на наноботите ни довежда до точка, че те не могат да бъдат пренебрегнати и разглеждането на техните потенциални наноботи ще бъде основен компонент на медицината в бъдеще.
Подобен подход може да се използва при хора, тъй като авторите са показали, че тази система е тествана и върху първичен модел на рак на белия дроб на мишка - който имитира клиничното протичане на белия дроб при хора рак пациенти- и показаха регресия на тумора след двуседмично лечение. Също така, тези проучвания са проведени върху мишки и в рамките на две седмици се наблюдава подобен доказуем ефект върху рак на гърдата, меланом, рак на яйчниците и белия дроб при животните. Проучването обаче трябва да се проведе при хора, за да се потвърди правдоподобността на подобни резултати и трябва да се проведат стабилни клинични изпитвания за постигане на същото.
Много интелигентен и целенасочен начин за борба с рака
Едно от основните предизвикателства на терапията за рак е внимателното и правилно разграничаване между раковите туморни клетки и нормалните, здрави телесни клетки. Конвенционалният подход за избягване и убиване на туморни клетки – химиотерапия и лъчева терапия – не успява да се насочи към туморните клетки селективно, без да взаимодейства с нормалните телесни клетки. По този начин химиотерапията, а също и лъчевата терапия са склонни да причиняват сериозни странични ефекти, както незначителни, така и големи, включително увреждане на органите, което води до много нарушено лечение на рак и по този начин ниски нива на преживяемост сред пациентите. Наноботи като описаните в това проучване са първи по рода си при бозайници, които са много силни и ефективни при идентифициране на туморни клетки и намаляване на техния растеж и пролиферация. Тази ДНК роботизирана система може да се използва за прецизна и насочена терапия на рак за много видове рак, тъй като всички кръвоносни съдове, захранващи твърди тумори, са по същество еднакви.
Това изследване проправи пътя за бъдещето да започнем да мислим и планираме практически медицински решения, използвайки технологичния напредък. Крайната цел на изследването на рака е успешното ликвидиране на солидни тумори, без сериозни странични ефекти и намалени метастази. Разглеждайки това проучване, виждаме огромна надежда за бъдещето, където настоящата стратегия може да бъде идеална за постигане на крайната цел за справяне с рака. И не само рак, тази стратегия може да бъде разработена и като платформа за доставка на лекарства за лечение на много други заболявания, тъй като подходът би бил просто модифициране на структурата на наноботите и промяна на натоварените товари. Освен това наноботите могат да ни помогнат да разберем допълнително сложността на човешкото тяло и мозък. Това също така ще помогне при извършването на безболезнени и неинвазивни операции, дори и най-сложните. Хипотетично в този момент, поради техния размер, наноботите могат също да сърфират из мозъчните клетки и да генерират цялата свързана информация, необходима за по-нататъшни изследвания. В бъдеще, да кажем след две десетилетия, една-единствена инжекция на нанобот може да бъде в състояние напълно да излекува болестите.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Li S et al 2018. ДНК наноробот функционира като терапевтично средство за рак в отговор на молекулен тригер in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
