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 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 nanorobotikus 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.
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
