Egy közelmúltbeli tanulmányban a kutatók először fejlesztettek ki teljesen autonóm nanorobotikus rendszert kifejezetten a rák kezelésére
A nanomedicina jelentős előrelépése során, amely a nanotechnológiát az orvostudománysal ötvözi, a kutatók a terápiás kezelés új módjait fejlesztették ki nagyon kicsi, molekulaméretű nanorészecskék (a 10-9 méteres nanométer mikroszkopikus léptékéhez közeli gépek vagy robotok) felhasználásával. cél rák, ebben a figyelemre méltó tanulmányban, amelyet ben publikáltak Nature Biotechnology.
DNS origami nanobot: a mágikus transzporter
DNS Az origami egy olyan folyamat, amelyben a DNS-t nanoméretű szinten hajtogatják, és aktív struktúrákat építenek fel a legkisebb léptékben is (az origami, mint a papírhajtogatás művészete). A DNS nagyszerű információtároló, így a belőle felépülő struktúrák információhordozóként használhatók. Ezzel a képességgel összhangban ezek a DNS nanorészecskék (vagy "DNS nanorobotok" vagy "nanorobotok" vagy egyszerűen "nanobotok") a legkisebb léptékben képesek mozgatni és felemelni a rakományt az emberi testben végzett speciális feladatokhoz, és így sok számára alkalmasak. nanorobotikus alkalmazások. Egy ilyen nanobot mérete 1000-szer kisebb, mint egyetlen emberi hajszál. A nanorobotika ezen területe az elmúlt két évtizedben tele volt izgalommal, és sok szakértő foglalkozott olyan DNS-en alapuló nanoméretű struktúrák kifejlesztésével, amelyek mindenféle alakra és méretre képesek összehajtogatni, hogy forradalmasítsák az orvostudományt, különösen a terápiát és a gyógyszeradagolást.
A nanorobot technológiát ma már széles körben használják, és már forradalmasította az olyan területeket, mint az orvosi képalkotás, az eszközök, az érzékelők, az energiarendszerek és az orvostudomány. Az orvostudományban a nanobotoknak főként azért vannak jelentős előnyei, mert nem generálnak semmilyen káros tevékenységet, nincs lehetséges mellékhatásuk, és nagyon specifikusak, hogy a szervezet mely területét célozzák meg és operálják. A nanorobotok fejlesztésének kezdeti költsége magas lehet, de a hagyományos kötegelt feldolgozási módszerrel történő gyártás nagymértékben csökkenti a költségeket. Ezenkívül a nanorobotok csekély mérete miatt ideálisak baktériumok és vírusok megcélzására. Ezenkívül egy apró nanorobot nagyon könnyen befecskendezhető a szervezetbe, és könnyen lebeg a vérben (a keringési rendszerben), és segít a problémák felismerésében és kezelésében. A nanobotok nagy jelentőséget kaptak a rákkutatásban, hiszen a kemoterápia fájdalommentes alternatíváját jelenthetik, amely egyébként nagyon megterhelő, és hatalmas személyes és anyagi terhet ró a páciensre. A kemoterápia nemcsak a rák kezelésének durva módja, de a rákos sejtek megtámadásán kívül az eljárás számos mellékhatással is jár az egész szervezetben. A tudomány azonban nem tudott új alternatívát felfedezni a kemoterápia helyett ennek az életveszélyes rákbetegségnek a kezelésére. A nanobotok képesek megváltoztatni ezt a forgatókönyvet az elkövetkező években azáltal, hogy hatékonyabb, okosabb és célzottabb alternatívát jelentenek a rák elleni küzdelemben.
A rák megcélzása
Ebben a legutóbbi tanulmányban az Arizona State University (USA) és a National Center for Nano A pekingi Kínai Tudományos Akadémia tudományos és technológiai kutatói sikeresen terveztek, építettek és gondosan ellenőrzött automatizált nanobotokat, amelyek aktívan keresik és precízen elpusztítják a rákos daganatokat a szervezetben – miközben nem károsítják az egészséges sejteket. Leküzdötték a nanotudósokat több mint két évtizede sújtó kihívásokat egy nagyon egyszerű és egyértelmű stratégia megtervezésével és alkalmazásával a daganat felkutatására és elpusztítására. A stratégia az volt, hogy a tumorsejtek vérellátását specifikusan levágják azáltal, hogy DNS-alapú nanobotok segítségével véralvadást indukáltak a tumorsejtbe. Tehát valami egyszerűnek tűnő dologra gondoltak – egy kulcsfontosságú véralvadási enzimet (thrombint) rögzítenek a lapos, nanoméretű DNS origami nanobot felületére. Átlagosan négy trombin molekula kapcsolódott a lapos felülethez DNS 90 x 60 nm méretű origami lap. Ezt a lapos lapot úgy hajtogatták, mint egy papírlapot, így a nanobotok üreges cső alakúra formálódtak. Ezeket a nanobotokat egy egérbe fecskendezték (amelyet agresszív tumornövekedéssel indukáltak), és bejárták a véráramot, elérve célpontját – a daganatokat – és megkötődve. Ezt követően a nanobot rakománya – a trombin enzim – eljut, ezáltal blokkolva a tumor véráramlását véralvadáshoz azokban az erekben, amelyek táplálják a daganat növekedését, ami a daganatszövet pusztulását vagy sejthalált okoz. Ez az egész folyamat érdekes módon nagyon gyorsan megy végbe, és a nanobotok az injekció beadása után néhány órán belül körülveszik a daganatot. Az összes tumorsejtben előrehaladott trombózis bizonyítékát figyelték meg az injekció beadása után 36 órával.
Ezenkívül a szerzők gondoskodtak arról is, hogy a nanobot felületén egy speciális rakományt (úgynevezett DNS-aptamer) helyezzenek el, amely specifikusan egy fehérjét, az úgynevezett nukleolint célozza meg, amely nagy mennyiségben csak a tumorsejtek felszínén termelődik, így csökkentve nullára csökken annak az esélye, hogy a nanobotok valaha is megtámadják az egészséges sejteket. Ezek a nanobotok nemcsak csökkentették és elpusztították a daganatsejteket, hanem megakadályozták az áttétek kialakulását – a másodlagos rákos növekedést egy távoli helyen.
Biztonság és hatékonyság
A szerzők hangsúlyozzák, hogy a nanobotok biztonságosak és immunológiailag inertek egereknél, sőt sertéseknél is, és a nanobotok használata nem mutatott változást a normál véralvadásban máshol, a sejtszerkezetben vagy az agyban. Így biztonságosnak és hatékonynak minősítették a daganatok megcélzására és csökkentésére, minden lehetséges nem kívánt mellékhatás nélkül. A legtöbb nanobotról azt is megfigyelték, hogy 24 óra elteltével lebomlik és kiürül a testből. Bár a nanobotokat meg lehetne tervezni „replikáló nanobotok” modellben, ami érthető a költségek alacsonyan tartásához, mivel néhány másolat készül, és más nanobotokat saját maguk állítanak elő, egyértelmű, hogy ezt a megközelítést csak különleges körülmények között szabad alkalmazni. . Ami az orvostudomány területét illeti, bolondbiztos kill-switch-re is szükség van, hogy távol tartsák a szélsőséges körülményeket. A jogi hatóságoknak szabályokat kell kidolgozniuk a nanobotokkal való visszaélések elkerülésére az orvostudományban, például a fegyveres nanobotokkal. Ha minden tényezőt mérlegelünk, a nanobotok hatékonysága elvezet minket arra a pontra, hogy nem lehet figyelmen kívül hagyni őket, és a potenciális nanobotok vizsgálata a jövőben az orvostudomány alapvető eleme lesz.
Hasonló megközelítés alkalmazható embereken is, mivel a szerzők kimutatták, hogy ezt a rendszert egy elsődleges egér tüdőrák modellen is tesztelték – ami utánozza a tüdő humán klinikai lefolyását. rák és a daganat regresszióját mutatták kéthetes kezelés után. Ezeket a vizsgálatokat egereken is végezték, és két héten belül hasonló kimutatható hatást figyeltek meg az emlőrák, a melanoma, a petefészekrák és a tüdőrák esetében az állatoknál. A vizsgálatot azonban embereken kell elvégezni, hogy megerősítsük a hasonló eredmények hitelességét, és alapos klinikai vizsgálatokat kell végezni annak eléréséhez.
Nagyon okos és célzott módja a rák elleni küzdelemnek
A rákterápia egyik legnagyobb kihívása a rákos daganatsejtek és a normál, egészséges testsejtek gondos és helyes megkülönböztetése. A daganatsejtek elkerülésének és elpusztításának hagyományos megközelítése – a kemoterápia és a sugárterápia – nem képes szelektíven megcélozni a tumorsejteket anélkül, hogy kölcsönhatásba lépne a normál testsejtekkel. Így a kemoterápia és a sugárterápia is súlyos mellékhatásokat okoz, mind kisebb, mind nagyobb mértékben, beleértve a szervi károsodást is, amely a rák kezelésének nagyon leromlott, és így a betegek túlélési arányának csökkenéséhez vezet. Az ebben a tanulmányban leírt nanobotok a maga nemében elsők az emlősökben, amelyek nagyon erősek és hatékonyak a tumorsejtek azonosításában, valamint növekedésük és szaporodásuk gátlásában. Ez a DNS robotrendszer számos ráktípus precíz és célzott rákterápiájára használható, mivel a szilárd tumort tápláló véredények lényegében azonosak.
Ez a kutatás megnyitotta az utat a jövő előtt ahhoz, hogy a technológiai fejlesztések felhasználásával gyakorlati orvosi megoldásokat kezdjünk el gondolkodni és tervezni. A rákkutatás végső célja a szolid daganatok sikeres felszámolása súlyos mellékhatások és csökkent áttétek nélkül. Ezt a tanulmányt tekintve óriási reményt látunk a jövőre nézve, ahol ez a jelenlegi stratégia ideális lehet a rák elleni küzdelem végső céljának eléréséhez. És nem csak a rák esetében, ezt a stratégiát számos más betegség kezelésében is ki lehetne fejleszteni gyógyszerszállító platformként, mivel a megközelítés egyszerűen a nanobotok szerkezetének módosítása és a megrakott rakományok megváltoztatása lenne. Ezenkívül a nanobotok segíthetnek abban, hogy jobban megértsük az emberi test és az agy összetettségét. Ez segít a fájdalommentes és non-invazív műtétek elvégzésében is, még a legbonyolultabbaknál is. Feltételezések szerint ezen a ponton a nanobotok méretüknél fogva az agysejtekben is át tudnak szörfözni, és előállítani a további kutatásokhoz szükséges összes információt. A jövőben, mondjuk két évtized múlva, egy nanobot egyetlen injekciója képes lehet teljesen meggyógyítani a betegségeket.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Li S et al 2018. A DNS nanorobot in vivo molekuláris triggerre adott válaszként rákterápiás szerként funkcionál. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
