En ny studie basert på nanoteknologi skaper håp for behandling av akutt nyreskade og svikt.
Nyre er et essensielt vital organ som utfører kritiske funksjoner i kroppen. Det fjerner avfall og ekstra vann fra blodstrømmen vår for å produsere urin som deretter strømmer fra nyrene til blæren gjennom urinlederne. Dette avfallet som produseres i kroppen vår fra normal nedbrytning av muskler og mat, må kasseres og skilles ut effektivt.
I akutt nyresvikt, nå kalt Acute Kidney Injury (AKI) nitrogenholdig avfall bygges raskt opp og urinproduksjonen reduseres, dvs. kroppen sliter med å produsere urin. Dette skjer i løpet av kort tid (dager eller til og med timer) etter utbruddet av sykdommen som forårsaker alvorlige komplikasjoner. Den ledende årsaken til AKI er oksidativt stress som oppstår på grunn av forstyrret balanse mellom frie radikaler og antioksidantforsvar som følge av økning i oksygenholdige avfallsprodukter som dermed forårsaker skade på lipider, proteiner og DNA. Dette scenariet forårsaker betennelse og fremmer nyresykdommen. Det er da store sjanser for å utvikle hjerte- og karsykdommer og kreft. Det er derfor antioksidanter rike matvarer og kosttilskudd er kjent for å beskytte mot skadelige effekter av oksygenholdige avfallsprodukter. Når alvorlighetsgraden av nyresykdommen øker, er støttebehandlinger som rehydrering og dialyse nødvendig, og til og med nyretransplantasjon kan være nødvendig. Det er ingen kur tilgjengelig for AKI som gjør det ansvarlig for millioner av dødsfall hvert år.
Beskyttelse og behandling av skadde nyrer er fortsatt en enorm utfordring innen medisin. Et antioksidantlegemiddel NAC (N-acetylcystein) som anses som gullstandarden brukes vanligvis for å beskytte nyrene mot toksisitet under prosedyrer, men dette stoffet har dårlig biotilgjengelighet og har derfor begrenset effektivitet.
Nanoteknologisk tilnærming for terapi
Anvendelse av nanoteknologi i biomedisinske metoder inkludert terapi har tatt fart de siste tiårene. Men slike applikasjoner har vist begrensning i behandling av nyresykdommer. I en ny studie har forskere fra USA og Kina beskrevet en ny forebyggende metode for å stoppe AKI og behandle den ved å bruke nanoteknologi som involverer små selvmonterende former som måler bare en milliarddels meter i diameter. Disse formene ble designet og utviklet ved hjelp av nanoteknologimetoden kalt 'DNA-origami' i hvilken baseparing av fire DNA nukleotider brukes til å konstruere og fremstille det som kalles DNA origami nanostrukturer (DONs). Disse nanostrukturene – enten trekantede, rørformede eller rektangulære – kan deretter brukes til å utføre ulike oppgaver inne i kroppen. Arkitekturen til slike nanostrukturer er ideelt egnet for levende systemer fordi de er stabile og har lav toksisitet og immunogenisitet.
DNA origami nanostrukturer monteres selv og låses fast på forskjellige deler av nyrene og danner et beskyttende lag rundt dem. Dette har blitt sett ved vurdering av deres fysiologiske fordeling ved bruk av kvantitativ avbildning ved positronemisjonstomografi (PET). Studien deres er publisert i Naturbiomedisinsk ingeniørfag. Gruppen forberedte ulike DNA origami strukturer og også brukt radio merking for å studere oppførselen deres i musenyre mens de analyserer dem ved hjelp av PET-avbildning. De ble sett å akkumulere i nyrene til friske mus, så vel som de som hadde AKI.
Studien viste hvordan DNA origami nanostrukturer fungerer som en rask (innen bare 2 timer) og svært aktiv nyrebeskytter og var også terapeutisk for å lindre symptomer på AKI. Ved undersøkelse av deres sanntidsdistribusjon ved bruk av PET-skanning ble det sett at rektangulære nanostrukturer var mest vellykkede med å beskytte nyrene på samme måte som et standard medikament ville gjort. Disse strukturene sporer opp oksygenholdige avfallsprodukter og isolerer cellene mot skade på grunn av oksidativt stress. De bidrar til å opprettholde balansen mellom frie radikaler og antioksidantforsvar i og rundt nyrene og reduserer og lindrer oksidativt stress som er den ledende kilden og symptomet på AKI. Tiltakene som tas av DONs stopper nyresykdommen til å utvikle seg. DONs ble testet både på levende mus nyre og humane embryonale nyreceller. Disse strukturene fungerte som en beskyttende vakt og forbedret nyrefunksjonen i AKI like effektivt som tradisjonelle medikamentterapier, spesielt NAC-medisin for AKI.
DNA-origamistrukturer var vedvarende tilstede i nyrene, noe forfattere antyder skyldes flere faktorer, inkludert resistens av DONs mot fordøyelsesenzymer og deres unngåelse av immunsystemovervåking. Fysiologisk ble forbedring i nyrefunksjonen vurdert ved å notere nivåer av serumkreatinin og urea-nitrogen i blodet, og det var tydelig at det var signifikant forbedring i nyreutskillelsesfunksjonen sammenlignet med standard medikamentell behandling.
Denne tverrfaglige studien kombinerer ekspertise innen nanomedisin og in-vivo-avbildning og er den første som noensinne har undersøkt distribusjon av DNA nanostrukturer i et levende system ved å spore deres atferd live. DON-er har lav toksisitet i kroppens hovedorganer, noe som gjør dem ideelt egnet for klinisk bruk hos mennesker. Denne moderne teknologien er et sterkt grunnlag som kan gi lokalisert beskyttelse til nyrene fra AKI og kan brukes til å designe nye terapeutiske tilnærminger for behandling av AKI og andre nyresykdommer. En løsning for nyresykdommer kan bli en realitet for pasienter som lider av akutt nyreskade. Studien legger til potensialet til terapeutiske programmerbare nanostrukturer som kan brukes til målrettet medikamentlevering og organ- og vevsreparasjon i kroppen.
***
Source (s)
Jiang D et al. 2018. DNA origami nanostrukturer kan vise foretrukket nyreopptak og lindre akutt nyreskade. Naturbiomedisinsk ingeniørfag. 2 (1). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0317-8
***
