Nanorobot kan programmeres til at målrette mod forskellige sygdomme

(Phys.org) - University of Florida forskere har rykket et skridt tættere på at behandle sygdomme på cellulært niveau ved at skabe en lille partikel, der kan programmeres til at lukke ned for den genetiske produktionslinje, der fjerner sygdomsrelaterede proteiner.

I laboratorietests, disse nyskabte "nanorobotter" udryddede næsten hepatitis C-virusinfektion. Den programmerbare natur af partiklen gør den potentielt nyttig mod sygdomme som cancer og andre virusinfektioner.

Forskningsindsatsen, ledet af Y. Charles Cao, en UF-lektor i kemi, og Dr. Chen Liu, professor i patologi og begavet lærestol i gastrointestinal og leverforskning ved UF College of Medicine, er beskrevet online i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Dette er en ny teknologi, der kan have bred anvendelse, fordi den kan målrette mod stort set ethvert gen, vi ønsker, " sagde Liu. "Dette åbner døren til nye områder, så vi kan teste mange andre ting. Vi er spændte på det."

I løbet af de sidste fem årtier, nanopartikler - partikler så små, at titusindvis af dem kan passe på hovedet af en nål - er dukket op som et levedygtigt grundlag for nye måder at diagnosticere, overvåge og behandle sygdom. Nanopartikel-baserede teknologier er allerede i brug i medicinske omgivelser, såsom i genetisk testning og til at lokalisere genetiske markører for sygdom. Og flere relaterede terapier er på forskellige stadier af kliniske forsøg.

Nanoterapiens hellige gral er et middel så udsøgt selektivt, at det kun trænger ind i syge celler, retter sig kun mod den specificerede sygdomsproces i disse celler og efterlader sunde celler uskadte.

For at demonstrere, hvordan dette kan fungere, Cao og kolleger, med finansiering fra National Institutes of Health, Office of Naval Research og UF Research Opportunity Seed Fund, skabt og testet en partikel, der retter sig mod hepatitis C-virus i leveren og forhindrer virussen i at lave kopier af sig selv.

Hepatitis C-infektion forårsager leverbetændelse, som i sidste ende kan føre til ardannelse og skrumpelever. Sygdommen overføres ved kontakt med inficeret blod, oftest gennem injektionsbrug, nålestiksskader i medicinske omgivelser, og fødsel til en smittet mor. Mere end 3 millioner mennesker i USA er smittet og omkring 17, 000 nye tilfælde diagnosticeres hvert år, ifølge Centers for Disease Control and Prevention. Patienter kan gå mange år uden symptomer, som kan omfatte kvalme, træthed og ubehag i maven.

Nuværende hepatitis C-behandlinger involverer brugen af ​​lægemidler, der angriber virusets replikationsmaskineri. Men terapierne er kun delvist effektive, i gennemsnit hjælper mindre end 50 procent af patienterne, ifølge undersøgelser
udgivet i New England Journal of Medicine og andre tidsskrifter. Bivirkninger varierer meget fra den ene medicin til den anden, og kan omfatte influenzalignende symptomer, anæmi og angst.

Cao og kolleger, inklusive kandidatstuderende Soon Hye Yang og postdoktorale associerede Zhongliang Wang, Hongyan Liu og Tie Wang, ønskede at forbedre konceptet med at gribe ind i det virale genetiske materiale på en måde, der booster terapieffektiviteten og reducerede bivirkninger.

Den partikel, de skabte, kan skræddersyes til at matche det genetiske materiale i det ønskede angrebsmål, og at snige sig ind i celler ubemærket af kroppens medfødte forsvarsmekanismer.

Genkendelse af genetisk materiale fra potentielt skadelige kilder er grundlaget for vigtige behandlinger for en række sygdomme, bl. herunder kræft, som er forbundet med produktionen af ​​skadelige proteiner. Det har også potentiale til brug til at opdage og ødelægge vira, der bruges som biovåben.

Den nye virus-destroyer, kaldet et nanozym, har en rygrad af bittesmå guldpartikler og en overflade med to biologiske hovedkomponenter. Den første biologiske del er en type protein kaldet et enzym, der kan ødelægge den genetiske receptbærer, kaldet mRNA, til fremstilling af det pågældende sygdomsrelaterede protein. Den anden komponent er et stort molekyle kaldet et DNA-oligonukleotid, der genkender det genetiske materiale af målet, der skal ødelægges, og instruerer sin nabo, enzymet, at udføre gerningen. I sig selv, enzymet angriber ikke selektivt hepatitis C, men kombinationen gør tricket.

"De ændrer fuldstændig deres egenskaber, " sagde Cao.

I laboratorietests, behandlingen førte til næsten et 100 procent fald i niveauet af hepatitis C-virus. Ud over, det udløste ikke kroppens forsvarsmekanisme, og det reducerede chancen for bivirkninger. Stadig, yderligere test er nødvendig for at bestemme sikkerheden ved tilgangen.

Fremtidige terapier kan potentielt være i pilleform.

"Vi kan effektivt stoppe hepatitis C-infektion, hvis denne teknologi kan videreudvikles til klinisk brug, " sagde Liu, som er medlem af UF Shands Cancer Center.

UF nanopartikeldesignet tager inspiration fra den nobelprisvindende opdagelse af en proces i kroppen, hvor en del af et to-komponent kompleks ødelægger de genetiske instruktioner til fremstilling af protein, og den anden del tjener til at afholde kroppens immunsystemangreb. Dette kompleks styrer mange naturligt forekommende processer i kroppen, så lægemidler, der efterligner det, har potentialet til at kapre produktionen af ​​proteiner, der er nødvendige for normal funktion. Den UF-udviklede terapi narrer kroppen til at acceptere den som en del af de normale processer, men forstyrrer ikke disse processer.

"De har udviklet en nanopartikel, der efterligner en kompleks biologisk maskine - det er en ret kraftig ting, ” sagde nanopartikelekspert Dr. C. Shad Thaxton, en assisterende professor i urologi ved Feinberg School of Medicine ved Northwestern University og medstifter af bioteknologivirksomheden AuraSense LLC, som ikke var involveret i UF-undersøgelsen. "Løftet om nanoteknologi er ekstraordinært. Det vil have en reel og væsentlig indflydelse på, hvordan vi praktiserer medicin.”