У недавньому дослідженні дослідники вперше розробили повністю автономну нанороботичну систему для спеціального лікування раку
У рамках великого прогресу в наномедицині, галузі, яка поєднує нанотехнології з медициною, дослідники розробили нові шляхи терапевтичного лікування з використанням дуже малих наночастинок розміром молекули (машини або роботи, близькі до мікроскопічного масштабу нанометрів 10-9 м), щоб мета рак, у цьому чудовому дослідженні, опублікованому в Природа Біотехнологія.
Нанобот ДНК-орігамі: чарівний транспортер
ДНК орігамі — це процес, у якому ДНК згортається на нанорозмірі та використовується для побудови активних структур у найдрібніших масштабах (орігамі як мистецтво складання паперу). ДНК є чудовим сховищем інформації, тому структури, які з неї побудовані, можна використовувати як носії інформації. Відповідно до цієї здатності ці наночастинки ДНК (або «нанороботи ДНК», «нанороботи» або просто «наноботи») можуть переміщувати та піднімати вантаж у найдрібніших масштабах для виконання певних завдань у людському тілі, а тому підходять для багатьох нанороботизований програми. Розмір такого нанобота в 1000 разів менше однієї пасма людського волосся. Ця галузь наноробототехніки була сповнена хвилювання протягом останніх двох десятиліть, і багато експертів зосереджувалися на розробці таких нанорозмірних структур на основі ДНК, які можуть згортатися у всілякі форми та розміри, щоб зробити революцію в медицині, особливо в терапії та доставці ліків.
Технологія нанороботів зараз широко використовується і вже зробила революцію в таких сферах, як медична візуалізація, пристрої, датчики, енергетичні системи, а також медицина. У медицині наноботи мають значні переваги, головним чином тому, що вони не створюють жодних шкідливих дій, не мають можливих побічних ефектів і дуже специфічні для того, на яке місце в тілі вони будуть націлені та на які діятимуть. Початкова вартість розробки нанороботів може бути високою, але виробництво за допомогою звичайного методу пакетної обробки значною мірою знижує вартість. Крім того, мініатюрний розмір нанороботів робить їх ідеальними для боротьби з бактеріями та вірусами. Крім того, крихітного наноробота можна дуже легко ввести в організм, і він легко плаває крізь кров (систему кровообігу) і допомагає виявляти проблеми та лікувати їх. Наноботи набули великого значення в дослідженні раку, оскільки вони можуть бути безболісною альтернативою хіміотерапії, яка в іншому випадку є дуже стресовою та створює величезне особисте та фінансове навантаження на пацієнта. Хіміотерапія – це не тільки важкий спосіб лікування раку, але, окрім атаки на ракові клітини, процедура залишає кілька побічних ефектів у всьому організмі. Проте наука не змогла знайти жодної нової альтернативи хіміотерапії для лікування цієї небезпечної для життя хвороби під назвою рак. Наноботи мають потенціал змінити цей сценарій у найближчі роки, будучи більш ефективною, розумнішою та цілеспрямованою альтернативою для боротьби з раком.
Орієнтація на рак
У цьому нещодавньому дослідженні співпраця між Університетом штату Арізона, США, і Національним центром Nano науки і технологій Академії наук Китаю, Пекін, дослідники успішно спроектували, побудували та ретельно керували автоматизованими нанороботами для активного пошуку та точного знищення ракових пухлин всередині тіла, не завдаючи шкоди жодній із здорових клітин. Вони подолали кілька проблем, які мучили нанонауків понад два десятиліття, розробивши та використавши дуже просту та зрозумілу стратегію для пошуку та знищення пухлини. Стратегія полягала в спеціальному припиненні кровопостачання пухлинної клітини шляхом індукції згортання крові в пухлинній клітині за допомогою наноботів на основі ДНК. Отже, вони придумали щось, здавалося б, просте – приєднати ключовий фермент згортання крові (так званий тромбін) до поверхні плоского нанобота орігамі з ДНК нанорозміру. В середньому чотири молекули тромбіну були прикріплені до плоскої поверхні ДНК аркуш орігамі розміром 90 нм на 60 нм. Цей плаский аркуш був складений як аркуш паперу, завдяки чому наноботи формували порожнисту трубку. Ці наноботи були введені в мишу (у якої був індукований агресивний ріст пухлини), вони подорожували по всьому кровотоку, досягаючи своєї мішені – пухлини та зв’язуючись із нею. Згодом вантаж нанобота – фермент тромбін – доставляється, блокуючи тим самим кровотік пухлини, що призводить до до згортання крові в судинах, які живлять ріст пухлини, викликаючи руйнування тканини пухлини або загибель клітин. Цікаво, що весь цей процес відбувається дуже швидко, і наноботи оточують пухлину протягом кількох годин після ін’єкції. Докази прогресуючого тромбозу в усіх пухлинних клітинах спостерігалися через 36 годин після ін’єкції.
Крім того, автори також подбали про включення спеціального корисного навантаження на поверхню нанобота (так званий аптамер ДНК), який би спеціально націлювався на білок, званий нуклеоліном, який у великих кількостях виробляється лише на поверхні пухлинних клітин, таким чином зменшуючи шанси нанороботів коли-небудь атакувати здорові клітини зведені до нуля. Ці наноботи не тільки зменшували та вбивали пухлинні клітини, але й запобігали метастазам – вторинному злоякісному розвитку у віддаленому місці.
Безпека та ефективність
Автори підкреслюють, що наноботи безпечні та імунологічно інертні для використання на мишах і навіть свинях, і використання наноботів не показало жодних змін у нормальному згортанні крові в інших місцях, структурі клітин або будь-якій частині мозку. Таким чином, вони були визначені як безпечні та ефективні для націлювання та зменшення пухлин без будь-яких можливих небажаних побічних ефектів. Також було помічено, що більшість наноботів розкладаються та виводяться з організму через 24 години. Хоча наноботів можна розробити за моделлю «відтворюючих наноботів», що зрозуміло для зниження витрат, оскільки виготовляється кілька копій, а інші наноботи створюються самостійно, зрозуміло, що такий підхід слід застосовувати лише в особливих обставинах. . Що стосується галузі медицини, також має бути встановлений безпомилковий вимикач, щоб уникнути будь-яких екстремальних обставин. Юридичні органи мають розробити правила, щоб уникнути будь-якого зловживання нанороботами в медицині, наприклад нанороботами зі зброєю. Ураховуючи всі чинники, ефективність наноботів підводить нас до того, що їх не можна не помічати, і розгляд їхніх потенційних наноботів стане важливим компонентом медицини в майбутньому.
Подібний підхід може бути використаний на людях, оскільки автори показали, що ця система також була випробувана на первинній моделі раку легенів миші, яка імітує клінічний перебіг легенів людини. рак пацієнтів- і показали регресію пухлини після двотижневого лікування. Крім того, ці дослідження проводилися на мишах, і протягом двох тижнів у тварин спостерігався подібний помітний вплив на рак молочної залози, меланому, рак яєчників і легенів. Проте дослідження необхідно провести на людях, щоб підтвердити правдоподібність подібних результатів, і для досягнення цього необхідно провести серйозні клінічні випробування.
Дуже розумний і цілеспрямований спосіб боротьби з раком
Одним із головних завдань терапії раку є ретельне та правильне диференціювання ракових пухлинних клітин від нормальних, здорових клітин організму. Традиційний підхід до уникнення та знищення пухлинних клітин – хіміотерапія та променева терапія – не в змозі вибірково впливати на пухлинні клітини без взаємодії з нормальними клітинами організму. Таким чином, хіміотерапія, а також променева терапія, як правило, спричиняють серйозні побічні ефекти, як незначні, так і значні, включаючи пошкодження органів, що призводить до значного погіршення лікування раку та, отже, до низького рівня виживання пацієнтів. Такі наноботи, як ті, що описані в цьому дослідженні, є першими у своєму роді серед ссавців, які є дуже сильними та ефективними у ідентифікації пухлинних клітин і зменшенні їхнього росту та проліферації. Цю ДНК-роботичну систему можна використовувати для точної та цілеспрямованої терапії багатьох типів раку, оскільки всі кровоносні судини, що живлять солідні пухлини, по суті однакові.
Це дослідження проклало шлях у майбутнє, щоб почати думати та планувати практичні медичні рішення з використанням технологічних досягнень. Кінцевою метою дослідження раку є успішне викорінення солідних пухлин без серйозних побічних ефектів і зменшення метастазування. Дивлячись на це дослідження, ми бачимо величезну надію на майбутнє, де нинішня стратегія може бути ідеальною для досягнення кінцевої мети боротьби з раком. І не тільки раку, цю стратегію також можна розробити як платформу доставки ліків для лікування багатьох інших хвороб, тому що підхід полягатиме просто в модифікації структури наноботів і зміні завантажених вантажів. Крім того, наноботи можуть допомогти нам глибше зрозуміти складність людського тіла та мозку. Це також допоможе у виконанні безболісних і неінвазивних операцій, навіть найскладніших. Гіпотетично на даний момент завдяки своїм розмірам наноботи також можуть подорожувати клітинами мозку та генерувати всю відповідну інформацію, необхідну для подальших досліджень. У майбутньому, скажімо, через два десятиліття, одна ін’єкція нанобота зможе повністю вилікувати хвороби.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Li S та інші, 2018. ДНК-наноробот функціонує як терапевтичний засіб проти раку у відповідь на молекулярний тригер in vivo. Природа Біотехнологія. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
