V nedavni študiji so raziskovalci prvič razvili popolnoma avtonomni nanorobotični sistem za specifično boj proti raku.
V velikem napredku v nanomedicini, področju, ki združuje nanotehnologijo z medicino, so raziskovalci razvili nove načine terapevtskega zdravljenja z uporabo zelo majhnih nanodelcev velikosti molekul (stroj ali robotov, ki so blizu mikroskopske skale nanometra 10-9 m) za cilj rak, v tej izjemni študiji, objavljeni v Nature Biotechnology.
DNK origami nanobot: čarobni transporter
DNA origami je proces, pri katerem se DNK zloži na ravni nanometrov in se uporablja za gradnjo aktivnih struktur na najmanjših lestvicah (origami kot v umetnosti zgibanja papirja). DNK je odlično skladišče informacij, zato lahko strukture, ki so zgrajene iz nje, uporabimo kot nosilce informacij. V skladu s to zmožnostjo lahko ti nanodelci DNK (ali "nanoroboti DNK" ali "nanoroboti" ali preprosto "nanoboti") premikajo in dvigujejo tovor v najmanjših obsegih za posebne naloge v človeškem telesu in so zato primerni za številne nanorobotski aplikacije. Velikost takega nanobota je 1000-krat manjša od enega samega pramena človeških las. To področje nanorobotike je bilo v zadnjih dveh desetletjih polno vznemirjenja in številni strokovnjaki so se osredotočali na razvoj takšnih nanometrskih struktur, ki temeljijo na DNK, ki se lahko zložijo v najrazličnejše oblike in velikosti, da bi spremenili medicino, zlasti zdravljenje in dostavo zdravil.
Tehnologija nanorobotov se zdaj široko uporablja in je že revolucionirala področja, kot so medicinsko slikanje, naprave, senzorji, energetski sistemi in tudi medicina. V medicini imajo nanoboti pomembne prednosti predvsem zato, ker ne povzročajo nobenih škodljivih aktivnosti, nimajo možnih stranskih učinkov in so zelo specifični, na katero mesto v telesu bodo ciljali in delovali. Začetni stroški razvoja nanorobotov so morda visoki, vendar proizvodnja po običajni metodi serijske obdelave v veliki meri zmanjša stroške. Poleg tega so zaradi majhne velikosti nanoroboti idealni za ciljanje na bakterije in viruse. Prav tako lahko majhen nanorobot zelo enostavno vbrizgamo v telo in zlahka lebdi po krvi (cirkulacijskem sistemu) ter pomaga pri odkrivanju težav in njihovem zdravljenju. Nanoboti so pridobili velik pomen v raziskavah raka, saj so lahko neboleča alternativa kemoterapiji, ki je sicer zelo stresna in predstavlja ogromno osebno in finančno breme za bolnika. Kemoterapija ni le oster način zdravljenja raka, ampak poleg napada na rakave celice postopek pušča številne stranske učinke po telesu. Vendar pa znanost ni mogla odkriti nobene nove alternative kemoterapiji za zdravljenje te smrtno nevarne bolezni, imenovane rak. Nanoboti imajo potencial, da spremenijo ta scenarij v prihodnjih letih, tako da postanejo učinkovitejša, pametnejša in ciljno usmerjena alternativa za napad na raka.
Ciljanje na raka
V tej nedavni študiji je sodelovalo med državno univerzo Arizona, ZDA, in Nacionalnim centrom za Nano znanost in tehnologijo Kitajske akademije znanosti v Pekingu so raziskovalci uspešno zasnovali, zgradili in skrbno nadzorovali avtomatizirane nanobote, da aktivno iščejo in natančno uničujejo rakave tumorje v telesu – pri tem pa ne škodujejo nobeni od zdravih celic. Premagali so več izzivov, ki nano znanstvenike mučijo že več kot dve desetletji, tako da so zasnovali in uporabili zelo preprosto in preprosto strategijo za iskanje in uničenje tumorja. Strategija je bila specifično prekiniti oskrbo s krvjo v tumorski celici z induciranjem koagulacije krvi v tumorsko celico z uporabo nanobotov, ki temeljijo na DNK. Tako so si omislili nekaj navidez preprostega – pritrditi ključni encim za strjevanje krvi (imenovan trombin) na površino ravnega DNK origami nanobota v nanorazmerju. Na ravno površino so bile pritrjene povprečno štiri molekule trombina DNA origami list velikosti 90 nm krat 60 nm. Ta ploščat list je bil prepognjen kot list papirja, zaradi česar so se nanoboti oblikovali v obliko votle cevi. Ti nanoboti so bili injicirani v miško (ki je bila inducirana z agresivno rastjo tumorja), potovali so po celotnem krvnem obtoku, dosegli in se vezali na svojo tarčo – tumorje. Nato se nanobotov tovor – encim trombin – dostavi in s tem blokira pretok krvi tumorja, ki vodi do strjevanja krvi v žilah, ki hranijo rast tumorja, kar povzroči uničenje tumorskega tkiva ali celično smrt. Zanimivo je, da se ta celoten proces zgodi zelo hitro in nanoboti obkrožijo tumor v nekaj urah po injiciranju. Dokaz napredovale tromboze pri vseh tumorskih celicah so opazili po 36 urah po injiciranju.
Poleg tega so avtorji poskrbeli tudi za vključitev posebne obremenitve na površino nanobota (imenovanega DNK aptamer), ki bi specifično ciljala na beljakovino, imenovano nukleolin, ki se v velikih količinah tvori le na površini tumorskih celic in tako zmanjša možnosti, da bi nanoboti kdaj napadli zdrave celice na nič. Ti nanoboti niso le zmanjšali in ubili tumorske celice, ampak so tudi preprečili metastaze – sekundarno rast raka na oddaljenem mestu.
Varnost in učinkovitost
Avtorji poudarjajo, da so nanoboti varni in imunološko inertni za uporabo pri miših in celo prašičih, uporaba nanobotov pa ni pokazala nobenih sprememb v normalni koagulaciji krvi drugje ali celični strukturi ali kakršnih koli breehintih v možganih. Tako so bili označeni kot varni in učinkoviti za ciljanje in krčenje tumorjev brez morebitnih neželenih stranskih učinkov. Ugotovljeno je bilo tudi, da se večina nanobotov po 24 urah razgradi in odstrani iz telesa. Čeprav bi bilo mogoče nanobote oblikovati v modelu nanobotov, ki se replicirajo, kar je razumljivo, da se zmanjšajo stroški, saj se izdela nekaj kopij in drugi nanoboti sami ustvarijo, je jasno, da je treba tak pristop uporabiti le v posebnih okoliščinah. . Kar zadeva področje medicine, mora biti vzpostavljeno tudi varno stikalo za ubijanje, da bi preprečili vse ekstremne okoliščine. Pravni organi morajo oblikovati predpise, da se izognejo kakršni koli zlorabi nanobotov v medicini, na primer oboroženih nanobotov. Če upoštevamo vse dejavnike, učinkovitost nanobotov nas pripelje do točke, da jih ni mogoče spregledati in bo pogled na njihove potencialne nanobote bistveni sestavni del medicine v prihodnosti.
Podoben pristop bi lahko uporabili pri ljudeh, saj so avtorji pokazali, da je bil ta sistem testiran tudi na modelu primarnega mišjega pljučnega raka – ki posnema človeški klinični potek pljuč. rak bolnikov- in je po dvotedenskem zdravljenju pokazal regresijo tumorja. Tudi te študije so bile izvedene na miših in v dveh tednih so pri živalih opazili podoben dokazljiv učinek na raka dojk, melanoma, raka jajčnikov in pljuč. Vendar pa je treba študijo opraviti na ljudeh, da se potrdi verodostojnost podobnih rezultatov, za dosego istega pa je treba izvesti robustna klinična preskušanja.
Zelo pameten in ciljno usmerjen način za napad na raka
Eden glavnih izzivov pri zdravljenju raka je skrbno in pravilno razlikovati med tumorskimi celicami rakavih celic in normalnimi, zdravimi telesnimi celicami. Konvencionalni pristop k izogibanju in ubijanju tumorskih celic – kemoterapija in radioterapija – ne uspe selektivno ciljati na tumorske celice brez interakcije z normalnimi telesnimi celicami. Tako kemoterapija in tudi radioterapija povzročata resne stranske učinke, tako manjše kot večje, vključno s poškodbami organov, ki imajo za posledico zelo oteženo zdravljenje raka in s tem nizko stopnjo preživetja bolnikov. Nanoboti, kot so opisani v tej študiji, so prvi te vrste pri sesalcih, ki so zelo močni in učinkoviti pri prepoznavanju tumorskih celic ter zmanjševanju njihove rasti in proliferacije. Ta DNK robotski sistem se lahko uporablja za natančno in ciljno zdravljenje raka za številne vrste raka, saj so vse krvne žile, ki hranijo trdni tumor, v bistvu enake.
Ta raziskava je utrla pot v prihodnost, da začnemo razmišljati in načrtovati praktične medicinske rešitve z uporabo tehnološkega napredka. Končni cilj raziskav raka je uspešno izkoreninjenje solidnih tumorjev, brez resnih stranskih učinkov in zmanjšanih metastaz. Če pogledamo to študijo, vidimo ogromno upanje za prihodnost, kjer bi bila ta trenutna strategija idealna za doseganje končnega cilja boja proti raku. In ne samo raka, to strategijo bi lahko razvili tudi kot platformo za dostavo zdravil za zdravljenje številnih drugih bolezni, saj bi pristop preprosto spreminjal strukturo nanobotov in spreminjal naloženi tovor. Nanoboti nam lahko pomagajo tudi pri nadaljnjem razumevanju kompleksnosti človeškega telesa in možganov. To bo pomagalo tudi pri izvajanju nebolečih in neinvazivnih operacij, tudi najbolj zapletenih. Hipotetično bi lahko nanoboti na tej točki zaradi svoje velikosti tudi brskali po možganskih celicah in generirali vse povezane informacije, potrebne za nadaljnje raziskave. V prihodnosti, recimo čez dve desetletji, bi lahko ena sama injekcija nanobota popolnoma pozdravila bolezni.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Li S et al 2018. Nanorobot DNK deluje kot zdravilo proti raku kot odgovor na molekularni sprožilec in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
