I en nyligen genomförd studie har forskare för första gången utvecklat ett helt autonomt nanorobotsystem för specifikt inriktning på cancer
I ett stort framsteg inom nanomedicin, fältet som kombinerar nanoteknik med medicin, har forskare utvecklat nya vägar för terapeutisk behandling med mycket små nanopartiklar i molekylstorlek (maskin eller robotar som är nära den mikroskopiska skalan av en nanometer 10-9m) för att mål cancer, i denna anmärkningsvärda studie publicerad i Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: den magiska transportören
DNA- origami är en process där ett DNA viks i nanoskala och används för att bygga aktiva strukturer i minsta skala (origami som i konsten att vika papper). DNA är en stor lagring av information och därför kan strukturer som är uppbyggda av den användas som informationsbärare. I linje med denna förmåga kan dessa DNA-nanopartiklar (eller 'DNA-nanorobotar' eller 'nanorobotar' eller helt enkelt 'nanobots') flytta och lyfta last i minsta skala för specifika uppgifter i människokroppen och är därför lämpliga för många nanorobot applikationer. Storleken på en sådan nanobot är 1000 gånger mindre än en enda sträng av människohår. Detta område av nanorobotik har varit fullt av spänning under de senaste två decennierna och många experter har fokuserat på att utveckla sådana strukturer i nanoskala baserade på DNA som kan vika sig till alla möjliga former och storlekar för att revolutionera medicin, särskilt terapi och läkemedelsleverans.
Nanorobotteknologin används nu flitigt och har redan revolutionerat områden som medicinsk bildbehandling, enheter, sensorer, energisystem och även medicin. Inom medicin har nanobotar betydande fördelar främst för att de inte genererar några skadliga aktiviteter, inte har några möjliga biverkningar och är mycket specifika på vilken plats i kroppen de kommer att rikta in sig på och operera på. Den initiala kostnaden för utveckling av nanorobotar kan vara hög, men tillverkningen när den görs med den konventionella metoden för batchbearbetning minskar kostnaden i stor utsträckning. Dessutom gör nanorobotarnas minimala storlek dem idealiska för att rikta in sig på bakterier och virus. Dessutom kan en liten nanorobot injiceras mycket lätt i kroppen och den flyter lätt genom blodet (cirkulationssystemet) och hjälper till att upptäcka problemen och behandla dem. Nanobotar har fått stor betydelse inom cancerforskningen eftersom de kan vara ett smärtfritt alternativ till kemoterapi som annars är mycket påfrestande och lägger en enorm personlig och ekonomisk börda på patienten. Kemoterapi är inte bara ett hårt sätt att behandla cancer, men förutom att attackera cancercellerna lämnar proceduren flera biverkningar i hela kroppen. Ändå har vetenskapen inte kunnat upptäcka något nytt alternativ till kemoterapi för att behandla denna livshotande sjukdom som kallas cancer. Nanobotar har potential att förändra detta scenario under de kommande åren genom att vara ett mer effektivt, smartare och målinriktat alternativ som attackerar cancer.
Inriktar sig på cancer
I denna färska studie, ett samarbete mellan Arizona State University, USA, och National Center for Nano vetenskap och teknik vid den kinesiska vetenskapsakademin, Peking, har forskare framgångsrikt designat, byggt och noggrant kontrollerade automatiserade nanobotar för att aktivt söka och exakt förstöra cancertumörer inuti kroppen – utan att skada någon av de friska cellerna. De övervann flera utmaningar som har plågat nanoforskare i över två decennier, genom att designa och använda en mycket enkel och okomplicerad strategi för att söka och förstöra tumören. Strategin var att specifikt stänga av blodtillförseln i en tumörcell genom att inducera blodkoagulering i tumörcellen med hjälp av DNA-baserade nanobotar. Så de tänkte på något som till synes enkelt – fäst ett viktigt blodkoagulerande enzym (kallat trombin) på ytan av den platta, nanoskaliga DNA-origami nanoboten. I genomsnitt fyra molekyler av trombin fästes till den plana ytan av DNA- origami-ark i storleken 90nm x 60nm. Detta platta ark veks som ett pappersark vilket gjorde att nanobotarna formade till formen av ett ihåligt rör. Dessa nanobotar injicerades i en mus (som hade inducerats med aggressiv tumörtillväxt), de färdades genom blodomloppet för att nå och binda till dess mål – tumörerna. Därefter levereras nanobotens last – enzymet trombin – vilket blockerar tumörens blodflöde, vilket leder till till koagulering av blod i kärlen som matar tumörtillväxt, vilket genererar förstörelse av tumörvävnaden eller celldöd. Hela den här processen sker intressant nog väldigt snabbt och nanobotarna omger tumören inom några timmar efter injektionen. Bevis på avancerad trombos i alla tumörceller observerades efter 36 timmars injektion.
Vidare tog författarna också hand om att inkludera en speciell nyttolast på ytan av nanoboten (kallad en DNA-aptamer) som specifikt skulle rikta in sig på ett protein, kallat nukleolin, som tillverkas i stora mängder endast på ytan av tumörceller, vilket minskar chanserna för nanobotar att någonsin attackera de friska cellerna till noll. Dessa nanobotar minskade och dödade inte bara tumörcellerna utan förhindrade också metastaser – sekundär cancertillväxt på en avlägsen plats.
Säkerhet och effektivitet
Författarna betonar att nanobotar är säkra och immunologiskt inerta för användning på möss och till och med grisar, och användningen av nanobotar visade inga förändringar i normal blodkoagulation någon annanstans eller cellstruktur eller någon breechinto i hjärnan. Således har de utsetts som säkra och effektiva för att rikta in sig på och krympa tumörer utan några möjliga oönskade biverkningar. De flesta av nanobotarna sågs också försämras och rensa bort från kroppen efter 24 timmar. Även om nanobotarna skulle kunna utformas i en "replikerande nanobots"-modell, vilket är förståeligt för att hålla kostnaderna nere eftersom några få kopior görs och andra nanobotar är egengenererade, är det tydligt att ett sådant tillvägagångssätt endast bör tillämpas under speciella omständigheter . När det gäller medicinen måste en idiotsäker kill-switch också finnas på plats för att hålla eventuella extrema omständigheter borta. Rättsliga myndigheter måste utarbeta regler för att undvika missbruk av nanobotar inom medicin, till exempel vapenförsedda nanobotar. När alla faktorer vägs in, tar nanobotarnas effektivitet oss till en punkt att de inte kan förbises och att titta på deras potentiella nanobotar kommer att vara en viktig del av medicinen i framtiden.
Ett liknande tillvägagångssätt skulle kunna användas på människor eftersom författarna har visat att detta system också testades på en primär muslungcancermodell – som efterliknar det mänskliga kliniska lungförloppet. cancer patienter och visade tumörregression efter två veckors behandling. Dessa studier utfördes också på möss, och inom två veckor sågs en liknande påvisbar effekt på bröstcancer, melanom, äggstockscancer och lungcancer hos djuren. Studien måste dock göras på människor för att bekräfta sannolikheten för liknande resultat och robusta kliniska prövningar måste utföras för att uppnå detsamma.
Ett väldigt smart och målinriktat sätt att attackera cancer
En av de stora utmaningarna med cancerterapi är att noggrant och korrekt skilja mellan cancertumörcellerna och de normala, friska kroppscellerna. Den konventionella metoden för att undvika och döda tumörceller – kemoterapi och strålbehandling – misslyckas med att rikta in sig på tumörcellerna selektivt utan att interagera med de normala kroppscellerna. Således tenderar kemoterapi och även strålbehandling att orsaka allvarliga biverkningar, både mindre och större, inklusive organskador som resulterar i en mycket försämrad behandling av cancer och därmed låg överlevnadsgrad bland patienter. Nanobotar som de som beskrivs i denna studie är först i sitt slag hos däggdjur som är mycket starka och effektiva för att identifiera tumörceller och minska deras tillväxt och spridning. Detta DNA-robotsystem kan användas för exakt och målinriktad cancerterapi för många typer av cancer, eftersom alla blodkärl som matar solida tumörer är i stort sett desamma.
Denna forskning har banat väg för framtiden att börja tänka och planera praktiska medicinska lösningar med hjälp av tekniska framsteg. Det yttersta målet för cancerforskningen är framgångsrik utrotning av solida tumörer, utan allvarliga biverkningar och minskad metastasering. När vi tittar på denna studie ser vi ett enormt hopp för framtiden där denna nuvarande strategi kan vara idealisk för att uppnå det slutliga målet att ta itu med cancer. Och inte bara cancer, den här strategin skulle också kunna utvecklas som en läkemedelsleveransplattform för behandling av många andra sjukdomar också eftersom tillvägagångssättet helt enkelt skulle vara att modifiera strukturen hos nanobotar och ändra lastad last. Dessutom kan nanobotar hjälpa oss att ytterligare förstå komplexiteten i människokroppen och hjärnan. Detta kommer också att hjälpa till att utföra smärtfria och icke-invasiva operationer, även de mest komplicerade. Hypotetiskt kan vid denna tidpunkt, på grund av sin storlek, nanobotar också surfa genom hjärncellerna och generera all relaterad information som krävs för vidare forskning. I framtiden, låt oss säga om två decennier, kan en enda injektion av en nanobot kunna bota sjukdomar helt.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Li S et al 2018. En DNA-nanorobot fungerar som ett cancerläkemedel som svar på en molekylär trigger in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
