Nowatorskie badanie oparte na nanotechnologii daje nadzieję na leczenie ostrego uszkodzenia i niewydolności nerek.
Nerka jest niezbędnym organem życiowym, który pełni krytyczne funkcje w organizmie. Usuwa odpady i dodatkową wodę z naszego krwioobiegu, aby wytworzyć mocz, który następnie przepływa z nerek do pęcherza moczowodami. Te odpady, które powstają w naszym ciele w wyniku normalnego rozpadu mięśni i żywności, muszą być skutecznie usuwane i wydalane.
W ostrym niewydolność nerek, obecnie nazywane ostrym uszkodzeniem nerek (AKI), odpady azotowe szybko gromadzą się, a wydalanie moczu spada, tj. organizm ma problemy z produkcją moczu. Dzieje się to w krótkim czasie (dni lub nawet godziny) od wystąpienia choroby powodującej poważne komplikacje. Główną przyczyną AKI jest stres oksydacyjny, który pojawia się z powodu zaburzonej równowagi między wolnymi rodnikami i obroną przeciwutleniaczy wynikającą ze wzrostu ilości produktów przemiany materii zawierających tlen, co powoduje uszkodzenie lipidów, białek i DNA. Ten scenariusz powoduje stan zapalny i postęp choroby nerek. Istnieje wtedy duże prawdopodobieństwo zachorowania na choroby układu krążenia i raka. Dlatego wiadomo, że żywność i suplementy bogate w przeciwutleniacze chronią przed szkodliwym działaniem produktów przemiany materii zawierających tlen. Kiedy nasilenie choroby nerek postępuje, potrzebne są terapie wspomagające, takie jak nawodnienie i dializa, a nawet przeszczep nerki. Nie ma lekarstwa na AKI, co czyni go odpowiedzialnym za miliony zgonów każdego roku.
Ochrona i leczenie uszkodzonych nerek pozostaje ogromnym wyzwaniem w medycynie. Lek przeciwutleniający NAC (N-acetylocysteina), uważany za złoty standard, jest powszechnie stosowany do ochrony nerek przed toksycznością podczas zabiegów, ale lek ten ma słabą biodostępność, a zatem ma ograniczoną skuteczność.
Nanotechnologiczne podejście do terapii
Zastosowanie nanotechnologii w metodach biomedycznych, w tym w terapii, nabrało tempa w ostatnich dziesięcioleciach. Jednak takie zastosowania wykazały ograniczenia w leczeniu chorób nerek. W nowym badaniu naukowcy z USA i Chin opisali nowatorską metodę zapobiegania AKI i leczenia jej za pomocą nanotechnologii obejmującej maleńkie samoorganizujące się formy, które mierzą zaledwie miliardową część metra średnicy. Kształty te zostały zaprojektowane i opracowane przy użyciu metody nanotechnologicznej zwanej „Origami DNA' w którym parze podstawowe cztery DNA nukleotydów służy do projektowania i wytwarzania tak zwanego DNA nanostruktury origami (DON). Te nanostruktury – o kształcie trójkątnym, rurowym lub prostokątnym – można następnie wykorzystać do wykonywania różnych zadań wewnątrz organizmu. Architektura taka nanostruktury idealnie nadaje się do żywych systemów, ponieważ są stabilne i mają niską toksyczność i immunogenność.
DNA Nanostruktury origami samoorganizują się i przyczepiają do różnych części nerek, tworząc wokół nich warstwę ochronną. Zaobserwowano to, oceniając ich rozkład fizjologiczny za pomocą obrazowania ilościowego za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Ich badanie zostało opublikowane w Charakterystyka inżynierii biomedycznej. Grupa przygotowała różne DNA struktury origami, a także używane radio znakowanie w celu zbadania ich zachowania w nerkach myszy podczas analizy za pomocą obrazowania PET. Zaobserwowano, że gromadziły się one w nerkach zdrowych myszy, a także tych, które miały AKI.
Badanie pokazało, jak DNA Nanostruktury origami działają szybko (w ciągu zaledwie 2 godzin) i bardzo aktywnie chronią nerki, a także mają działanie terapeutyczne w łagodzeniu objawów AKI. Po zbadaniu ich rozkładu w czasie rzeczywistym za pomocą skanu PET stwierdzono, że szczególnie nanostruktury prostokątne najskuteczniej chronią nerki w taki sam sposób, jak zrobiłby to standardowy lek. Struktury te śledzą produkty przemiany materii zawierające tlen i izolują komórki przed uszkodzeniami spowodowanymi stresem oksydacyjnym. Pomagają utrzymać równowagę wolnych rodników i obrony przeciwutleniającej w nerkach i wokół nich, redukując i łagodząc stres oksydacyjny, który jest głównym źródłem i objawem AKI. Działania podjęte przez DON zatrzymują postęp choroby nerek. DON testowano zarówno na żywych nerkach myszy, jak i na ludzkich embrionalnych komórkach nerek. Struktury te działały jako osłona ochronna i poprawiały czynność nerek w AKI równie skutecznie, jak tradycyjne terapie lekowe, zwłaszcza lek NAC na AKI.
Struktury DNA origami były stale obecne w nerkach, co według autorów jest spowodowane kilkoma czynnikami, w tym opornością DON na enzymy trawienne i unikaniem przez nie nadzoru układu odpornościowego. Fizjologicznie, poprawę funkcji nerek oceniano, odnotowując poziomy kreatyniny w surowicy i azotu mocznikowego we krwi i było jasne, że nastąpiła znaczna poprawa funkcji wydalniczej nerek porównywalna ze standardową terapią lekową.
To multidyscyplinarne badanie łączy wiedzę z zakresu nanomedycyny i obrazowania in vivo i jest pierwszym w historii, które bada dystrybucję DNA nanostruktur w żywym systemie, śledząc na żywo ich zachowanie. DON mają niską toksyczność w głównych narządach organizmu, co czyni je idealnymi do stosowania klinicznego u ludzi. Ta nowoczesna technologia stanowi solidną podstawę, która może zapewnić miejscową ochronę nerek przed AKI i może zostać wykorzystana do opracowania nowych podejść terapeutycznych w leczeniu AKI i innych chorób nerek. Rozwiązanie problemu chorób nerek może stać się rzeczywistością dla pacjentów cierpiących na ostre uszkodzenie nerek. Badanie zwiększa potencjał terapeutycznych programowalnych nanostruktur, które można wykorzystać do ukierunkowanego dostarczania leków oraz naprawy narządów i tkanek w organizmie.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Jiang D i in. 2018. DNA Nanostruktury origami mogą wykazywać preferencyjny wychwyt przez nerki i łagodzić ostre uszkodzenie nerek. Charakterystyka inżynierii biomedycznej. 2 ust. 1. https://doi.org/10.1038/s41551-018-0317-8
***
