W niedawnym badaniu naukowcy opracowali po raz pierwszy w pełni autonomiczny system nanorobotyczny przeznaczony specjalnie do walki z rakiem
W ramach znaczącego postępu w nanomedycynie, dziedzinie łączącej nanotechnologię z medycyną, naukowcy opracowali nowe metody leczenia terapeutycznego przy użyciu bardzo małych nanocząsteczek o rozmiarach cząsteczek (maszyny lub roboty, które są zbliżone do mikroskopowej skali nanometra 10-9 m) do cel rak, w tym niezwykłym badaniu opublikowanym w Nature Biotechnology.
Nanobot origami DNA: magiczny transporter
DNA origami to proces, w którym DNA jest składane w skali nano i wykorzystywane do budowania aktywnych struktur w najmniejszej skali (origami jak w sztuce składania papieru). DNA jest świetnym magazynem informacji, dlatego zbudowane z niego struktury mogą służyć jako nośniki informacji. Zgodnie z tą zdolnością te nanocząsteczki DNA (lub „nanoroboty DNA”, „nanoroboty” lub po prostu „nanoboty”) mogą przenosić i podnosić ładunek w najmniejszej skali w celu wykonania określonych zadań w organizmie człowieka, a zatem nadają się do wielu zastosowań nanorobot Aplikacje. Rozmiar takiego nanobota jest 1000 razy mniejszy niż pojedynczy kosmyk ludzkiego włosa. Ta dziedzina nanorobotyki była pełna ekscytacji przez ostatnie dwie dekady i wielu ekspertów skupiało się na opracowywaniu takich nanostruktur opartych na DNA, które mogą składać się w najróżniejsze kształty i rozmiary, aby zrewolucjonizować medycynę, zwłaszcza terapię i dostarczanie leków.
Technologia nanorobotów jest obecnie szeroko stosowana i zrewolucjonizowała już dziedziny takie jak obrazowanie medyczne, urządzenia, czujniki, systemy energetyczne, a także medycyna. W medycynie nanoboty mają istotne zalety głównie dlatego, że nie generują żadnych szkodliwych działań, nie mają możliwych skutków ubocznych i są bardzo specyficzne, w którym miejscu w organizmie będą celować i działać. Początkowy koszt opracowania nanorobotów może być wysoki, ale produkcja przy użyciu konwencjonalnej metody przetwarzania wsadowego w znacznym stopniu obniża koszty. Co więcej, niewielkie rozmiary nanorobotów sprawiają, że są one idealne do zwalczania bakterii i wirusów. Ponadto maleńkiego nanorobota można bardzo łatwo wstrzyknąć do organizmu, z łatwością przepływa on przez krew (układ krążenia) i pomaga w wykrywaniu problemów i ich leczeniu. Nanoboty zyskały duże znaczenie w badaniach nad rakiem, ponieważ mogą stanowić bezbolesną alternatywę dla chemioterapii, która skądinąd jest bardzo stresująca i stanowi ogromne obciążenie osobiste i finansowe dla pacjenta. Chemioterapia to nie tylko uciążliwy sposób leczenia raka, ale oprócz atakowania komórek rakowych, procedura pozostawia kilka skutków ubocznych w całym ciele. Jednak nauka nie była w stanie odkryć żadnej nowej alternatywy dla chemioterapii w leczeniu tej zagrażającej życiu choroby zwanej rakiem. Nanoboty mają potencjał, aby zmienić ten scenariusz w nadchodzących latach, będąc bardziej wydajną, inteligentniejszą i ukierunkowaną alternatywą atakującą raka.
Celowanie w raka
W tym ostatnim badaniu współpraca między Arizona State University w USA i National Center for Nano nauka i technologia Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, naukowcy z powodzeniem zaprojektowali, zbudowali i dokładnie kontrolowali zautomatyzowane nanoboty do aktywnego poszukiwania i precyzyjnego niszczenia guzów nowotworowych w ciele – nie szkodząc zdrowym komórkom. Pokonali kilka wyzwań, które nękają nanonaukowców od ponad dwóch dekad, projektując i stosując bardzo prostą i bezpośrednią strategię poszukiwania i niszczenia guza. Strategia polegała na specyficznym odcięciu dopływu krwi do komórki nowotworowej poprzez wywołanie krzepnięcia krwi w komórce nowotworowej za pomocą nanobotów opartych na DNA. Pomyśleli więc o czymś pozornie prostym – dołączeniu kluczowego enzymu krzepnięcia krwi (zwanego trombiną) do powierzchni płaskiego nanobota z DNA origami. Średnio cztery cząsteczki trombiny były przyłączone do płaskiej powierzchni DNA arkusz origami o rozmiarze 90nm na 60nm. Ten płaski arkusz został złożony jak kartka papieru, dzięki czemu nanoboty uformowały się w kształt pustej rurki. Te nanoboty zostały wstrzyknięte do myszy (która została wywołana przez agresywny wzrost guza), przemieszczały się w całym krwiobiegu, docierając do celu – guzów i wiążąc się z nim. Następnie ładunek nanobota – enzym trombina – zostaje dostarczony, blokując w ten sposób przepływ krwi przez nowotwór. do krzepnięcia krwi w naczyniach, które zasilają wzrost guza, powodując zniszczenie tkanki nowotworowej lub śmierć komórek. Co ciekawe, cały ten proces przebiega bardzo szybko, a nanoboty otaczają guz w ciągu kilku godzin od wstrzyknięcia. Po 36 godzinach od wstrzyknięcia we wszystkich komórkach guza zaobserwowano zaawansowaną zakrzepicę.
Co więcej, autorzy zadbali również o umieszczenie specjalnego ładunku na powierzchni nanobota (zwanego aptamerem DNA), który miałby celować w białko zwane nukleoliną, które jest wytwarzane w dużych ilościach tylko na powierzchni komórek nowotworowych, zmniejszając w ten sposób szanse na to, że nanoboty kiedykolwiek zaatakują zdrowe komórki są do zera. Te nanoboty nie tylko zredukowały i zabiły komórki nowotworowe, ale także zapobiegły przerzutom – wtórnym rozrostowi raka w odległym miejscu.
Bezpieczeństwo i skuteczność
Autorzy podkreślają, że nanoboty są bezpieczne i immunologicznie obojętne do stosowania u myszy, a nawet świń, a użycie nanobotów nie wykazało żadnych zmian w normalnej krzepliwości krwi w innym miejscu, w strukturze komórek ani w breechinach w mózgu. W związku z tym zostały one określone jako bezpieczne i skuteczne w celowaniu i zmniejszaniu guzów bez jakichkolwiek niepożądanych skutków ubocznych. Zaobserwowano również, że większość nanobotów ulega degradacji i usuwa się z organizmu po 24 godzinach. Chociaż nanoboty można by zaprojektować w modelu „replikacji nanobotów”, co jest zrozumiałe, aby obniżyć koszty, ponieważ powstaje kilka kopii, a inne nanoboty generują się samodzielnie, jasne jest, że takie podejście powinno być stosowane tylko w szczególnych okolicznościach . Jeśli chodzi o medycynę, musi istnieć niezawodny wyłącznik awaryjny, aby zapobiec ekstremalnym okolicznościom. Organy prawne muszą opracować przepisy, które pozwolą uniknąć niewłaściwego wykorzystania nanobotów w medycynie, na przykład uzbrojonych nanobotów. Biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, skuteczność nanobotów prowadzi nas do punktu, w którym nie można ich przeoczyć, a spojrzenie na ich potencjalne nanoboty będzie istotnym elementem medycyny w przyszłości.
Podobne podejście można zastosować na ludziach, ponieważ autorzy wykazali, że system ten został również przetestowany na pierwotnym mysim modelu raka płuc – który naśladuje ludzki przebieg kliniczny płuc rak pacjentów- i wykazała regresję guza po dwutygodniowym leczeniu. Ponadto badania te przeprowadzono na myszach i w ciągu dwóch tygodni zaobserwowano podobny widoczny wpływ na raka piersi, czerniaka, raka jajnika i płuc u zwierząt. Badanie należy jednak przeprowadzić na ludziach, aby potwierdzić wiarygodność podobnych wyników, a w celu osiągnięcia tego samego należy przeprowadzić solidne badania kliniczne.
Bardzo inteligentny i ukierunkowany sposób walki z rakiem
Jednym z głównych wyzwań terapii przeciwnowotworowej jest staranne i prawidłowe odróżnienie komórek guza nowotworowego od normalnych, zdrowych komórek organizmu. Konwencjonalne podejście do bujania się i zabijania komórek nowotworowych – chemioterapia i radioterapia – nie jest ukierunkowane na komórki nowotworowe selektywnie bez interakcji z normalnymi komórkami organizmu. Zatem chemioterapia, a także radioterapia mają tendencję do powodowania poważnych skutków ubocznych, zarówno niewielkich, jak i poważnych, w tym uszkodzenia narządów, co skutkuje bardzo upośledzonym leczeniem raka, a tym samym niską przeżywalnością wśród pacjentów. Nanoboty, takie jak te opisane w tym badaniu, są pierwszymi w swoim rodzaju u ssaków, bardzo silnymi i skutecznymi w identyfikowaniu komórek nowotworowych oraz ograniczaniu ich wzrostu i proliferacji. Ten zrobotyzowany system DNA może być używany do precyzyjnej i ukierunkowanej terapii przeciwnowotworowej wielu rodzajów raka, ponieważ wszystkie naczynia krwionośne żywiące się guzami litymi są zasadniczo takie same.
Badania te utorowały drogę do przyszłego myślenia i planowania praktycznych rozwiązań medycznych z wykorzystaniem postępu technologicznego. Ostatecznym celem badań nad rakiem jest skuteczna eradykacja guzów litych, bez poważnych skutków ubocznych i zmniejszenia przerzutów. Patrząc na to badanie, widzimy ogromną nadzieję na przyszłość, w której obecna strategia może być idealna do osiągnięcia ostatecznego celu, jakim jest walka z rakiem. I to nie tylko w przypadku raka, strategia ta mogłaby również zostać opracowana jako platforma dostarczania leków do leczenia wielu innych chorób, ponieważ podejście polegałoby po prostu na modyfikowaniu struktury nanobotów i modyfikowaniu załadowanych ładunków. Ponadto nanoboty mogą pomóc nam lepiej zrozumieć złożoność ludzkiego ciała i mózgu. Pomoże to również w wykonywaniu bezbolesnych i nieinwazyjnych operacji, nawet tych najbardziej skomplikowanych. Hipotetycznie w tym momencie nanoboty ze względu na swoje rozmiary będą mogły również surfować po komórkach mózgu i generować wszystkie związane z tym informacje potrzebne do dalszych badań. W przyszłości, powiedzmy za dwie dekady, pojedynczy zastrzyk nanobota może być w stanie całkowicie wyleczyć choroby.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Li S i wsp. 2018. Nanorobot DNA działa jako lek przeciwnowotworowy w odpowiedzi na molekularny wyzwalacz in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
