Kræftbekæmpende nanorobotter programmeret til at søge og ødelægge tumorer

I et stort fremskridt inden for nanomedicin, Arizona State University (ASU) forskere, i samarbejde med forskere fra National Center for Nanoscience and Technology (NCNST), fra det kinesiske videnskabsakademi, med succes programmeret nanorobots til at skrumpe tumorer ved at afbryde deres blodtilførsel.

"Vi har udviklet den første fuldt autonome, DNA-robotsystem til et meget præcist lægemiddeldesign og målrettet kræftbehandling, " sagde Hao Yan, direktør for ASU Biodesign Institute's Center for Molekylær Design og Biomimetik og Milton Glick-professoren på School of Molecular Sciences.

"I øvrigt, denne teknologi er en strategi, der kan bruges til mange typer kræft, da alle blodkar, der føder solide tumorer, stort set er ens, " sagde Yan.

Den vellykkede demonstration af teknologien, den første af sin slags undersøgelse i pattedyr, der bruger brystkræft, melanom, ovarie- og lungekræft musemodeller, blev offentliggjort i tidsskriftet Natur bioteknologi .

Søge og ødelægge

Yan er ekspert inden for DNA-origami, som i de sidste to årtier, har udviklet atomskala fremstilling til at bygge mere og mere komplekse strukturer.

Murstenene til at bygge deres strukturer kommer fra DNA, som selv kan foldes til alle mulige former og størrelser - alt sammen i en skala tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - i håb om en dag at revolutionere computeren, elektronik og medicin.

Den ene dag kommer måske lidt hurtigere end forventet.

Nanomedicin er en ny gren af ​​medicin, der søger at kombinere løftet om nanoteknologi for at åbne helt nye veje til behandlinger, såsom at gøre minuskul, molekylestore nanopartikler til at diagnosticere og behandle vanskelige sygdomme, især kræft.

Indtil nu, udfordringen med at fremme nanomedicin har været vanskelig, fordi videnskabsmænd ønskede at designe, bygge og omhyggeligt kontrollere nanorobotter for aktivt at søge og ødelægge kræftsvulster —- samtidig med at det ikke skader nogen sunde celler.

Det internationale team af forskere overvandt dette problem ved at bruge en tilsyneladende simpel strategi til meget selektivt at opsøge og udsulte en tumor.

Dette arbejde blev påbegyndt for omkring 5 år siden. NCNST-forskerne ønskede først specifikt at afskære tumorblodforsyningen ved at inducere blodkoagulation med høj terapeutisk effektivitet og sikkerhedsprofiler i flere solide tumorer ved hjælp af DNA-baserede nanobærere. Prof. Hao Yans ekspertise har opgraderet det nanomedicinske design til at være et fuldt programmerbart robotsystem, i stand til at udføre sin mission helt på egen hånd.

"Disse nanorobotter kan programmeres til at transportere molekylære nyttelaster og forårsage blokeringer af tumorblodforsyning på stedet, som kan føre til vævsdød og krympe tumoren, " sagde Baoquan Ding, professor ved NCNST, beliggende i Beijing, Kina.

Nanorobotter til undsætning

For at udføre deres undersøgelse, forskerne udnyttede en velkendt musetumormodel, hvor humane kræftceller injiceres i en mus for at fremkalde aggressiv tumorvækst.

Da tumoren først voksede, nanorobotterne blev sat ind for at komme til undsætning.

Hver nanorobot er lavet af en flad, rektangulært DNA origami ark, 90 nanometer gange 60 nanometer i størrelse. Et vigtigt blodproppende enzym, kaldet trombin, er fastgjort til overfladen.

Trombin kan blokere tumorblodstrømmen ved at størkne blodet i de kar, der fodrer tumorvækst, forårsager en slags tumor mini-hjerteanfald, og fører til tumorvævsdød.

Først, et gennemsnit på fire thrombinmolekyler blev knyttet til et fladt DNA-stillads. Næste, det flade ark blev foldet ind på sig selv som et ark papir til en cirkel for at lave et hult rør.

De blev injiceret med en IV i en mus, rejste derefter gennem blodbanen, homing på tumorer.

Nøglen til at programmere en nanorobot, der kun angriber en kræftcelle, var at inkludere en speciel nyttelast på overfladen, kaldet en DNA -aptamer. DNA -aptamer kunne specifikt målrette mod et protein, kaldet nukleolin, som kun er lavet i store mængder på overfladen af ​​tumorendotelceller - og ikke findes på overfladen af ​​raske celler.

Når først bundet til tumorens blodkaroverflade, nanorobotten blev programmeret, som den berygtede trojanske hest, at levere sin intetanende medicinlast i hjertet af tumoren, udsættelse af et enzym kaldet trombin, som er nøglen til blodpropper.

Nanorobotterne arbejdede hurtigt, samles i stort tal for hurtigt at omringe tumoren kun få timer efter injektionen.

Sikkert og forsvarligt design

Først og fremmest, holdet viste, at nanorobotterne var sikre og effektive til at skrumpe tumorer.

"Nanorobotten viste sig at være sikker og immunologisk inert til brug i normale mus og, også hos Bama miniature grise, viser ingen påviselige ændringer i normal blodkoagulation eller cellemorfologi, "sagde Yuliang Zhao, også professor ved NCNST og ledende videnskabsmand i det internationale samarbejdshold.

Mest vigtigt, der var ingen tegn på, at nanorobotterne spredte sig ind i hjernen, hvor det kunne forårsage uønskede bivirkninger, såsom et slagtilfælde.

"Nanorobotterne er afgjort sikre i det normale væv hos mus og store dyr, " sagde Guangjun Nie, en anden professor ved NCNST og et centralt medlem af samarbejdsteamet.

Behandlingen blokerede tumorblodforsyningen og genererede tumorvævsskade inden for 24 timer, mens den ikke havde nogen effekt på sundt væv. Efter at have angrebet tumorer, de fleste af nanorobotter blev ryddet og nedbrudt fra kroppen efter 24 timer.

Om to dage, der var tegn på fremskreden trombose, og 3 dage, tromber i alle tumorkar blev observeret.

Nøglen er kun at udløse trombin, når det er inde i tumorblodkar. Også, i melanom musemodellen, 3 ud af 8 mus, der modtog nanorobotterapien, viste fuldstændig regression af tumorerne. Den gennemsnitlige overlevelsestid er mere end fordoblet, strækker sig fra 20,5 til 45 dage.

De prøvede også deres system i en test af en primær muse-lungekræftmodel, som efterligner det humane kliniske forløb hos lungekræftpatienter. De viste krympning af tumorvæv efter en 2-ugers behandling.

Videnskaben om de helt små går stort

For Yan, den vigtige milepæl i undersøgelsen repræsenterer afslutningen på begyndelsen for nanomedicin.

"Thrombinleverings -DNA -nanorobot udgør et stort fremskridt i anvendelsen af ​​DNA -nanoteknologi til kræftbehandling, " sagde Yan. "I en melanom musemodel, nanorobotten påvirkede ikke kun den primære tumor, men forhindrede også dannelsen af ​​metastaser, viser lovende terapeutisk potentiale."

Yan og hans samarbejdspartnere forfølger nu aktivt kliniske partnere for at videreudvikle denne teknologi.

"Jeg tror, ​​vi er meget tættere på det virkelige, praktiske medicinske anvendelser af teknologien, "sagde Yan." Kombinationer af forskellige rationelt designede nanorobotter, der bærer forskellige midler, kan hjælpe med at nå det endelige mål for kræftforskning:udryddelse af solide tumorer og vaskulariserede metastaser. Desuden, den nuværende strategi kan udvikles som en lægemiddelleveringsplatform til behandling af andre sygdomme ved at modificere nanostrukturernes geometri, målgrupperne og de lastede laster."