I en fersk studie har forskere for første gang utviklet et fullstendig autonomt nanorobotsystem for spesifikt målretting mot kreft
I et stort fremskritt innen nanomedisin, feltet som kombinerer nanoteknologi med medisin, har forskere utviklet nye veier for terapeutisk behandling ved bruk av svært små, molekylstore nanopartikler (maskin eller roboter som er nær den mikroskopiske skalaen til en nanometer 10-9m) for å mål kreft, i denne bemerkelsesverdige studien publisert i Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: den magiske transportøren
DNA 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 nanorobotisk 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.
Nanorobot-teknologi blir nå mye brukt og har allerede revolusjonert felt som medisinsk bildebehandling, enheter, sensorer, energisystemer og også medisin. I medisin har nanoboter betydelige fordeler hovedsakelig fordi de ikke genererer noen skadelige aktiviteter, har ingen mulige bivirkninger og er veldig spesifikke på hvilket sted i kroppen de vil sikte mot og operere på. De opprinnelige kostnadene for utvikling av nanoroboter kan være høye, men produksjonen når den gjøres med den konvensjonelle metoden for batchbehandling reduserer kostnadene i stor grad. Videre gjør den minimale størrelsen til nanorobotene dem ideelle for målretting mot bakterier og virus. Dessuten kan en liten nanorobot injiseres veldig enkelt inn i kroppen, og den flyter lett gjennom blodet (sirkulasjonssystemet) og hjelper til med å oppdage problemene og behandle dem. Nanoboter har fått mye betydning innen kreftforskning siden de kan være et smertefritt alternativ til cellegift som ellers er svært belastende og legger en stor personlig og økonomisk belastning på pasienten. Kjemoterapi er ikke bare en barsk måte å behandle kreft på, men bortsett fra å angripe kreftcellene, gir prosedyren flere bivirkninger i hele kroppen. Likevel har vitenskapen ikke vært i stand til å oppdage noe nytt alternativ til kjemoterapi for behandling av denne livstruende sykdommen kalt kreft. Nanoboter har potensial til å endre dette scenariet i de kommende årene ved å være et mer effektivt, smartere og målrettet alternativ som angriper kreft.
Målrett mot kreft
I denne ferske studien, et samarbeid mellom Arizona State University, USA, og National Center for Nano vitenskap og teknologi ved det kinesiske vitenskapsakademiet, Beijing, har forskere med suksess designet, bygget og nøye kontrollert automatiserte nanoboter for aktivt å søke og nøyaktig ødelegge kreftsvulster inne i kroppen – uten å skade noen av de friske cellene. De overvant flere utfordringer som har plaget nanoforskere i over to tiår, ved å designe og bruke en veldig enkel og grei strategi for å søke og ødelegge svulsten. Strategien var å spesifikt kutte blodtilførselen i en tumorcelle ved å indusere blodkoagulasjon inn i tumorcellen ved hjelp av DNA-baserte nanoboter. Så de tenkte på noe tilsynelatende enkelt – fest et viktig blodkoagulerende enzym (kalt trombin) til overflaten av den flate, nanoskala DNA-origami nanoboten. Gjennomsnittlig fire molekyler av trombin ble festet til den flate overflaten av DNA origami-ark i størrelse 90nm x 60nm. Dette flate arket ble brettet som et papirark som fikk nanobotene til å forme seg til et hult rør. Disse nanobotene ble injisert i en mus (som hadde blitt indusert med aggressiv svulstvekst), de reiste gjennom blodstrømmen og nådde og bindet seg til målet – svulstene. Deretter blir nanobotens last – enzymet trombin – levert og blokkerer dermed svulstens blodstrøm, noe som fører til til koagulering av blod i karene som mater svulstvekst, forårsaker ødeleggelse av svulstvevet eller celledød. Hele denne prosessen skjer interessant nok veldig raskt og nanobotene omgir svulsten innen timer etter injeksjonen. Bevis for avansert trombose i alle tumorceller ble observert etter 36 timers injeksjon.
Videre sørget forfatterne også for å inkludere en spesiell nyttelast på overflaten av nanoboten (kalt en DNA-aptamer) som spesifikt ville målrette mot et protein, kalt nukleolin, som lages i store mengder kun på overflaten av tumorceller, og dermed reduserer sjansene for at nanoboter noen gang angriper de friske cellene til null. Disse nanobotene reduserte og drepte ikke bare tumorcellene, men forhindret også metastaser – sekundær kreftvekst på et fjernt sted.
Sikkerhet og effektivitet
Forfatterne understreker at nanoboter er trygge og immunologisk inerte for bruk i mus og til og med griser, og bruken av nanoboter viste ingen endringer i normal blodkoagulasjon andre steder eller cellestruktur eller noen breechinto hjernen. Dermed har de blitt utpekt som sikre og effektive for å målrette og krympe svulster uten noen mulige uønskede bivirkninger. De fleste av nanobotene ble også sett å være nedbrytende og fjerne fra kroppen etter 24 timer. Selv om nanobotene kan utformes i en "replikerende nanobots"-modell, som er forståelig for å holde kostnadene nede ettersom det lages noen få kopier og andre nanoboter er selvgenererte, er det klart at en slik tilnærming bare bør brukes under spesielle omstendigheter . Når det gjelder medisin, må en idiotsikker drepebryter også være på plass for å holde eventuelle ekstreme omstendigheter i sjakk. Juridiske myndigheter må utarbeide regler for å unngå misbruk av nanoboter i medisin, for eksempel bevæpnede nanoboter. Alle faktorene når de veies inn, bringer effektiviteten til nanoboter oss til et punkt at de ikke kan overses, og å se på deres potensielle nanoboter vil være en viktig komponent i medisinen i fremtiden.
En lignende tilnærming kan brukes på mennesker ettersom forfatterne har vist at dette systemet også ble testet på en primær muselungekreftmodell - som etterligner det kliniske forløpet av lunge hos mennesker kreft pasienter- og viste regresjon av tumor etter en to ukers behandling. Disse studiene ble også utført på mus, og innen to uker ble det sett en lignende påviselig effekt på brystkreft, melanom, eggstokkreft og lungekreft hos dyrene. Studien må imidlertid gjøres på mennesker for å bekrefte sannsynligheten til lignende resultater, og robuste kliniske studier må utføres for å oppnå det samme.
En veldig smart og målrettet måte å angripe kreft på
En av de største utfordringene med kreftbehandling er å nøye og korrekt skille mellom kreftsvulstcellene og de normale, friske kroppscellene. Den konvensjonelle tilnærmingen til å skulke og drepe tumorceller – kjemoterapi og strålebehandling – klarer ikke å målrette tumorcellene selektivt uten å samhandle med de normale kroppscellene. Dermed har kjemoterapi og også strålebehandling en tendens til å forårsake alvorlige bivirkninger, både små og store, inkludert organskader som resulterer i en svært svekket behandling av kreft og dermed lave overlevelsesrater blant pasienter. Nanoboter som de som er beskrevet i denne studien er første i sitt slag hos pattedyr som er veldig sterke og effektive til å identifisere tumorceller og redusere deres vekst og spredning. Dette DNA-robotsystemet kan brukes til presis og målrettet kreftbehandling for mange typer kreft, siden alle blodkar som mater solide svulster er i hovedsak like.
Denne forskningen har banet vei for fremtiden for å begynne å tenke og planlegge praktiske medisinske løsninger ved hjelp av teknologiske fremskritt. Det endelige målet med kreftforskning er vellykket utryddelse av solide svulster, uten alvorlige bivirkninger og redusert metastasering. Når vi ser på denne studien, ser vi et enormt håp for fremtiden der denne nåværende strategien kan være ideell for å oppnå det endelige målet om å takle kreft. Og ikke bare kreft, denne strategien kan også utvikles som en medikamentleveringsplattform for behandling av mange andre sykdommer, fordi tilnærmingen ganske enkelt vil være å modifisere strukturen til nanoboter og endre lastet last. Nanoboter kan også hjelpe oss med å forstå kompleksiteten til menneskekroppen og hjernen ytterligere. Dette vil også hjelpe til med å utføre smertefrie og ikke-invasive operasjoner, selv de mest kompliserte. Hypotetisk kan på dette tidspunktet, på grunn av størrelsen deres, også nanoboter surfe gjennom hjernecellene og generere all relatert informasjon som kreves for videre forskning. I fremtiden, la oss si to tiår fra nå, kan en enkelt injeksjon av en nanobot være i stand til å kurere sykdommer fullstendig.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Li S et al 2018. En DNA-nanorobot fungerer som et kreftterapeutisk middel som svar på en molekylær trigger in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
