DNA-trojansk hest smugler stoffer ind i resistente kræftceller

Forskere ved Ohio State University arbejder på en ny måde at behandle lægemiddelresistent kræft på, som de gamle grækere ville godkende - kun det er ikke en trojansk hest, men DNA der skjuler den invaderende kraft.

I dette tilfælde, invasionsstyrken er et almindeligt kræftmiddel.

I laboratorietests, leukæmiceller, der var blevet resistente over for stoffet, absorberede det og døde, da stoffet blev gemt i en kapsel lavet af sammenfoldet DNA.

Tidligere, andre forskergrupper har brugt samme emballeringsteknik, kendt som "DNA origami, " at forhindre lægemiddelresistens i solide tumorer. Det er første gang, forskere har vist, at den samme teknik virker på lægemiddelresistente leukæmiceller.

Forskerne er siden begyndt at teste kapslen i mus, og håber at gå videre til forsøg med kræft hos mennesker inden for et par år. Deres tidlige resultater vises i journalen Lille .

Undersøgelsen involverede en præklinisk model for akut myeloid leukæmi (AML), der har udviklet resistens mod lægemidlet daunorubicin. Specifikt, når molekyler af daunorubicin trænger ind i en AML-celle, cellen genkender dem og pumper dem tilbage ud gennem åbninger i cellevæggen. Det er en modstandsmekanisme, som undersøgelsens medforfatter John Byrd fra Ohio State University Wexner Medical Center sammenligner med sumppumper, der trækker vand fra en kælder.

Han og Carlos Castro, adjunkt i maskinteknik, lede et samarbejde med fokus på at skjule daunorubicin inde i en slags molekylær trojansk hest, der kan omgå pumperne, så de ikke kan skubbe stoffet ud af cellen.

"Kræftceller har nye måder at modstå medicin på, som disse pumper, og den spændende del af at pakke stoffet på denne måde er, at vi kan omgå disse forsvar, så stoffet akkumuleres i kræftcellen og får det til at dø, " sagde Byrd, en professor i intern medicin og direktør for afdelingen for hæmatologi. "Potentielt, vi kan også skræddersy disse strukturer til at få dem til at levere lægemidler selektivt til kræftceller og ikke til andre dele af kroppen, hvor de kan forårsage bivirkninger."

"DNA origami nanostrukturer har et stort potentiale for lægemiddellevering, ikke kun for at lave effektive lægemiddelleveringsmidler, men muliggør nye måder at studere lægemiddellevering på. For eksempel, vi kan variere formen eller den mekaniske stivhed af en struktur meget præcist og se, hvordan det påvirker indtrængen i celler, " sagde Castro, direktør for Laboratoriet for Nanoteknik og Biodesign.

I test, forskerne fandt ud af, at AML-celler, som tidligere havde vist resistens over for daunorubicin, effektivt absorberede lægemiddelmolekyler, når de var skjult inde i bittesmå stavformede kapsler lavet af DNA. Under mikroskopet, forskerne sporede kapslerne inde i cellerne med fluorescerende tags.

Hver kapsel måler omkring 15 nanometer bred og 100 nanometer lang - omkring 100 gange mindre end de kræftceller, den er designet til at infiltrere. Med fire hule, åbne indvendige rum, det ligner mindre en pille et menneske ville sluge og mere som en aflang askeblok.

Postdoc-forsker Christopher Lucas sagde, at designet maksimerer det tilgængelige overfladeareal til at bære stoffet. "Den måde, daunorubicin virker på, er, at det stikker ind i kræftcellens DNA og forhindrer det i at replikere. Så vi designede en kapselstruktur, der ville have masser af tilgængelige DNA-basepar, som den kan putte ind i. Når kapslen nedbrydes, lægemiddelmolekylerne frigøres for at oversvømme cellen."

Castros team designede kapslerne til at være stærke og stabile, så de ikke ville gå helt i opløsning og frigive hovedparten af ​​stofferne, før det var for sent for cellen at spytte dem ud igen.

Og det var, hvad de så med et fluorescensmikroskop - cellerne trak kapslerne ind i organellerne, som normalt ville fordøje dem, hvis de var mad. Da kapslerne gik i stykker, stofferne oversvømmede cellerne og fik dem til at gå i opløsning. De fleste celler døde inden for de første 15 timer efter indtagelse af kapslerne.

Dette arbejde er den første indsats for ingeniørerne i Castros laboratorium for at udvikle en medicinsk applikation til de DNA-origami-strukturer, de har bygget.

Selvom DNA stereotypt kaldes "livets byggesten, " Ingeniører bruger i dag naturligt og syntetisk DNA som bogstavelige byggesten til mekaniske enheder. Tidligere, Ohio State ingeniørerne skabte bittesmå hængsler og stempler af DNA.

Som Castro påpegede, DNA er en polymer - om end en naturligt forekommende - og han og hans kolleger former den til små enheder, værktøjer eller beholdere ved at udnytte de fysiske interaktioner mellem de baser, der udgør polymerkæden. De bygger kæder fra DNA-sekvenser, der naturligt vil tiltrække og binde sig til hinanden på bestemte måder, så længe de lange polymerer automatisk foldes sammen, eller "saml selv, " i nyttige former.

I tilfældet med denne DNA-trojanske hest, forskerne brugte genomet af en almindelig bakteriofag, en virus, der inficerer bakterier, og syntetiske strenge, der var designet til at folde bakteriofag-DNA'et sammen. Selvom den foldede form udfører en funktion, DNA'et selv gør det ikke, forklarede Patrick Halley, en ingeniørstuderende, der udfører dette arbejde for at opnå sin kandidatgrad.

"En af de sværeste ting at komme igennem, når du introducerer denne teknologi til folk, er, at DNA-kapslen ikke gør andet end at holde en form. Det er bare en statisk, stiv struktur, der bærer ting. Det koder ikke for nogen proteiner eller gør noget andet, som vi normalt tænker på, at DNA gør, " sagde Halley.

I overensstemmelse med ideen om DNA-origami-fremstilling, Castro sagde, at han håber at skabe en strømlinet og økonomisk levedygtig proces til at bygge kapslerne - og også andre former - som en del af et modulært system til lægemiddellevering.

Byrd sagde, at teknikken potentielt burde virke på næsten enhver form for lægemiddelresistent cancer, hvis yderligere arbejde viser, at den effektivt kan oversættes til dyremodeller, selvom han holdt op med at antyde, at det ville virke mod patogener som bakterier, hvor mekanismerne for lægemiddelresistens kan være forskellige.