Indhyllede DNA -nanodeapparater overlever pilotmission

Det er en velkendt trope inden for science fiction:På fjendens territorium, aktiver din cloaking -enhed. Og virkelige vira bruger lignende taktik til at gøre sig usynlig for immunsystemet. Nu har forskere ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering efterlignet disse virale taktikker til at bygge de første DNA -nanodeapparater, der overlever kroppens immunforsvar.

Resultaterne baner vejen for smarte DNA -nanorobotter, der kunne bruge logik til at diagnosticere kræft tidligere og mere præcist, end læger kan i dag; målrette medicin mod tumorer, eller endda fremstille lægemidler på stedet for at lamme kræft, rapporterer forskerne i online -udgaven af ​​22. april ACS Nano .

"Vi efterligner virusfunktionalitet for til sidst at bygge terapier, der specifikt er målrettet mod celler, "sagde Wyss Institute Core Faculty -medlem William Shih, Ph.d., papirets seniorforfatter. Shih er også lektor i biologisk kemi og molekylær farmakologi ved Harvard Medical School og lektor i kræftbiologi ved Dana-Farber Cancer Institute.

Den samme tilsløringsstrategi kunne også bruges til at lave kunstige mikroskopiske beholdere kaldet protoceller, der kunne fungere som biosensorer til at opdage patogener i fødevarer eller giftige kemikalier i drikkevand.

DNA er kendt for at bære genetisk information, men Shih og andre bioingeniører bruger det i stedet som et byggemateriale. At gøre dette, de bruger DNA origami - en metode, Shih hjalp med at strække sig fra 2D til 3D. I denne metode, forskere tager en lang streng DNA og programmerer det til at folde sig til bestemte former, meget som et enkelt ark papir foldes for at skabe forskellige former i den traditionelle japanske kunst.

Shihs team samler disse former for at bygge DNA -nanoskalaenheder, der en dag kan være lige så komplekse som det molekylære maskineri, der findes i celler. For eksempel, de udvikler metoder til at bygge DNA til små robotter, der fornemmer deres miljø, beregne hvordan man reagerer, udfør derefter en nyttig opgave, såsom at udføre en kemisk reaktion eller generere mekanisk kraft eller bevægelse.

Sådanne DNA -nanorobotter kan selv lyde som science fiction, men de findes allerede. I 2012 rapporterede Wyss Institute -forskere i Science, at de havde bygget en nanorobot, der bruger logik til at opdage en målcelle, afslører derefter et antistof, der aktiverer en "selvmordsafbryder" i leukæmi eller lymfomceller.

For en DNA -nanodeenhed til med succes at diagnosticere eller behandle sygdom, den skal overleve kroppens forsvar længe nok til at gøre sit arbejde. Men i deres nuværende undersøgelse opdagede Shihs team, at DNA -nanodevices injiceret i blodbanen hos mus hurtigt fordøjes.

”Det fik os til at spørge 'Hvordan kunne vi beskytte vores partikler mod at blive tygget?' "Sagde Shih.

Naturen inspirerede til løsningen. Forskerne designede deres nanodeenheder til at efterligne en type virus, der beskytter dets genom ved at omslutte det i et solidt proteinkabinet, derefter lag på en olieagtig belægning identisk med den i membraner, der omgiver levende celler. Den belægning, eller kuvert, indeholder et dobbelt lag (dobbeltlag) af phospholipid, der hjælper virusene med at unddrage sig immunsystemet og levere dem til cellens indre.

"Vi havde mistanke om, at en viruslignende konvolut omkring vores partikler kunne løse vores problem, "Sagde Shih.

At belægge DNA -nanodeapparater med phospholipid, Steve Perrault, Ph.d., en Wyss Institute Technology Development fellow i Shihs gruppe og papirets hovedforfatter, foldede først DNA ind i en oktaedron i virusstørrelse. Derefter, han udnyttede DNA-nanoteknologiens præcisionsdesignmuligheder, indbygning i håndtag til at hænge lipider, som igen styrede samlingen af ​​en enkelt dobbeltlagsmembran, der omgiver oktaedronen.

Under et elektronmikroskop, de overtrukne nanodeapparater lignede meget en indhyllet virus.

Perrault demonstrerede derefter, at de nye nanodeapparater overlevede i kroppen, ved at lægge dem i fluorescerende farvestof, injicere dem i mus, og ved hjælp af hele kroppen billeddannelse for at se, hvilke dele af musen glødede.

Bare blæren glødede i mus, der modtog uovertrukne nanodeapparater, hvilket betød, at dyrene hurtigt brød dem ned og var klar til at udskille deres indhold. Men dyrenes hele krop glødede i timevis, da de modtog den nye, belagte nanodeenheder. Dette viste, at nanodevices forblev i blodbanen, så længe effektive lægemidler gør.

De belagte enheder unddrager sig også immunsystemet. Niveauer af to immunaktiverende molekyler var mindst 100 gange lavere hos mus behandlet med overtrukne nanodeapparater i modsætning til uovertrukne nanodeapparater.

I fremtiden, kappede nanorobotter kunne aktivere immunsystemet til at bekæmpe kræft eller undertrykke immunsystemet for at hjælpe transplanteret væv med at blive etableret.

"Aktivering af immunresponsen kan være nyttig klinisk eller noget at undgå, "Perrault sagde." Det vigtigste er, at vi kan kontrollere det. "

"Patienter med kræft og andre sygdomme vil have enorm fordel af præcis, værktøjer i molekylær skala til samtidig at diagnosticere og behandle syge væv, og at få DNA -nanopartikler til at vare sidste i kroppen er et stort skridt i den retning, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Don Ingber, M.D., Ph.d.