Helbredelse af nyrer med nanoteknologi

Hvert år, der er omkring 13,3 millioner nye tilfælde af akut nyreskade (AKI), en alvorlig lidelse. Tidligere kendt som akut nyresvigt, sygdommen producerer en hurtig ophobning af nitrogenholdigt affald og reducerer urinproduktionen, normalt inden for timer eller dage efter sygdomsdebut. Der opstår ofte alvorlige komplikationer.

AKI er ansvarlig for 1,7 millioner dødsfald årligt. Beskyttelse af sunde nyrer mod skade og behandling af allerede sårede er fortsat en betydelig udfordring for moderne medicin.

I ny forskning, der vises i tidsskriftet Natur Biomedicinsk teknik , Hao Yan og hans kolleger ved University of Wisconsin-Madison og i Kina beskriver en ny metode til behandling og forebyggelse af AKI. Deres teknik indebærer brug af små, selvsamlende former, der kun måler milliarder af en meter i diameter.

Det trekantede, rørformede og rektangulære former er designet og bygget ved hjælp af en metode kendt som DNA origami. Her, baseparringsegenskaberne for DNA's fire nukleotider bruges til at konstruere og fremstille DNA origami nanostrukturer (DON'er), som samler sig og fortrinsvis ophobes i nyrerne.

"Det tværfaglige samarbejde mellem nanomedicin og in-vivo-billeddannelsesteamet ledet af professor Weibo Cai ved University of Wisconsin-Madison og DNA-nanoteknologiteamet har ført til en ny ansøgning-anvendelse af DNA origami-nanostrukturer til behandling af akut nyreskade, "Siger Yan." Dette repræsenterer en ny horisont for DNA -nanoteknologisk forskning. "

Eksperimenter beskrevet i den nye undersøgelse - udført på mus såvel som humane embryonale nyreceller - tyder på, at DON'er fungerer som en hurtig og aktiv nyrebeskyttelse og også kan lindre symptomer på AKI. Fordelingen af ​​DON'er blev undersøgt med positronemissionstomografi (PET). Resultaterne viste, at de rektangulære nanostrukturer var særligt vellykkede, beskytter nyrerne mod skade lige så effektivt som den førende lægemiddelterapi og lindrer en førende kilde til AKI kendt som oxidativ stress.

Undersøgelsen er den første til at undersøge fordelingen af ​​DNA -nanostrukturer i et levende system ved hjælp af kvantitativ billeddannelse med PET og baner vejen for et væld af nye terapeutiske metoder til behandling af AKI såvel som andre nyresygdomme.

"Dette er et glimrende eksempel på teamvidenskab, med tværfagligt og multinationalt samarbejde, "Sagde Cai." De fire forskningsgrupper er placeret i forskellige lande, men de kommunikerer regelmæssigt og har synergistisk ekspertise. De tre lige bidragende første forfattere (Dawei Jiang, Zhilei Ge, Hyung-Jun Im) har også meget forskellige baggrunde, en inden for radiomærkning og billeddannelse, en i DNA -nanostrukturer, og den anden inden for klinisk nuklear medicin. Sammen, de drev projektet frem. "

Vitalt organ

Nyrerne udfører vigtige roller i kroppen, fjernelse af affald og ekstra vand fra blodet for at danne urin. Urin strømmer derefter fra nyrerne til blæren gennem urinlederne. Affald i blodet produceres ved normal nedbrydning af aktiv muskel og fra fødevarer, som kroppen kræver til energi og selvreparation.

Akut nyreskade kan variere betydeligt i sværhedsgrad. I avanceret AKI, nyretransplantation er påkrævet samt understøttende behandlinger, herunder rehydrering og dialyse. Kontrast-induceret AKI, en almindelig form for sygdommen, er forårsaget af kontrastmidler, der undertiden bruges til at forbedre klarheden af ​​medicinsk billeddannelse. Et anti-oxidant lægemiddel kendt som N-acetylcystein (NAC) bruges klinisk til at beskytte nyrerne mod toksisk angreb under sådanne procedurer, men dårlig biotilgængelighed af lægemidlet i nyrerne kan begrænse dets effektivitet. (I øjeblikket, der er ingen kendt kur mod AKI.)

Nanomedicin - konstruktion af atomer eller molekyler på nanoskalaen til biomedicinske applikationer - repræsenterer en ny og spændende vej til medicinsk efterforskning og terapi. Nyere forskning på området har drevet fremskridt, der har ført til forbedret billeddannelse og terapi til en række sygdomme, herunder AKI, selvom brugen af ​​nanomaterialer inden for levende systemer til behandling af nyresygdom hidtil har været begrænset.

Baseparringsegenskaberne for nukleinsyrer som DNA og RNA muliggør design af små programmerbare strukturer med forudsigelig form og størrelse, i stand til at udføre en lang række opgaver. Yderligere, disse nanoarchitectures er ønskelige til brug i levende systemer på grund af deres stabilitet, lav toksicitet, og lav immunogenicitet.

Nye designs

Den nuværende undersøgelse markerer den første undersøgelse af DNA origami nanostrukturer inden for levende organismer, ved hjælp af kvantitativ billeddannelse til at spore deres adfærd. PET-billeddannelsen anvendt i undersøgelsen gav mulighed for en kvantitativ og pålidelig realtidsmetode til at studere cirkulationen af ​​DON'er i en levende organisme og vurdere deres fysiologiske fordeling. Rektangulære DON'er blev identificeret som den mest effektive terapeutiske behandling af AKI hos mus, baseret på PET -analysen.

Yan og hans kolleger forberedte en række DON'er og brugte radiomærkning til at studere deres adfærd i musenyr, ved hjælp af PET -billeddannelse. PET -scanningerne viste, at DON'erne fortrinsvis havde akkumuleret i nyrerne på raske mus såvel som dem med induceret AKI. Af de tre former, der blev brugt i eksperimenterne, de rektangulære DON'er gav den største fordel med hensyn til beskyttelse og terapi og var sammenlignelige i deres virkning med lægemidlet NAC, betragtede guldstandardbehandlingen for AKI.

Patienter med nyresygdom har ofte ledsagende sygdomme, herunder en høj forekomst af hjerte -kar -sygdomme og malignitet. Akut nyresygdom kan induceres gennem processen med oxidativ stress, som skyldes en stigning i iltholdige affaldsprodukter kendt som reaktive iltarter, der forårsager skader på lipider, proteiner og DNA. Dette kan opstå, når den sarte balance mellem frie radikaler og anti-oxidant forsvar bliver destabiliseret, forårsager betændelse og fremskynder udviklingen af ​​nyresygdom. (Fødevarer og kosttilskud rige på antioxidanter virker for at beskytte cellerne mod de skadelige virkninger af reaktive iltarter.)

Beskyttelse af nyrer med DNA -geometri

De beskyttende og terapeutiske virkninger af DON'erne beskrevet i den nye undersøgelse skyldes nanostrukturenes evne til at rense reaktive iltarter, derved isolere sårbare celler mod skader på grund af oxidativt stress. Denne effekt blev undersøgt i humane embryonale nyrecellelinjer såvel som i levende mus. Akkumuleringen af ​​nanostrukturer i både sunde og syge nyrer gav en øget terapeutisk effekt sammenlignet med traditionel AKI -terapi. (DON'er lindrede oxidativ stress inden for 2 timer efter inkubation med berørte nyreceller.)

Forbedring af AKI-nyrefunktionen-sammenlignelig med administration af højdosis af lægemidlet NAC-blev observeret efter introduktionen af ​​nanostrukturer. Undersøgelse af farvede vævsprøver bekræftede yderligere de gavnlige virkninger af DON'erne i nyrerne.

Forfatterne foreslår flere mekanismer til at redegøre for vedholdenheden i nyrerne af korrekt foldede origami -nanostrukturer, herunder deres resistens over for fordøjelsesenzymer, undgå immunovervågning og lav proteinabsorption.

Niveauer af serumkreatinin og blodurinstofnitrogen (BUN) blev brugt til at vurdere nyrefunktionen hos mus. AKI -mus behandlet med rektangulære DON'er viste forbedret nyreekskretionsfunktion, der kan sammenlignes med mus, der modtager behandling ved hjælp af hovedlinjelægemidlet NAC.

Yderligere, teamet etablerede sikkerheden ved rektangulære DON'er, evaluering af deres potentiale for at fremkalde et immunrespons hos mus ved at undersøge blodniveauer af interleukin-6 og tumornekrosefaktor alfa. Resultaterne viste, at DON'erne var ikke-immunogenetiske og vævsfarvning af hjerte, lever, milt lunger og nyre afslørede deres lave toksicitet i primære organer, gør dem til attraktive kandidater til klinisk brug hos mennesker.

Baseret på den effektive fjernelse af reaktive iltarter af DON'er i både menneskelig nyrecellekultur og levende musenyr, undersøgelsen konkluderer, at tilgangen faktisk kan give lokal beskyttelse af nyrer fra AKI og endda tilbyde effektiv behandling af AKI-beskadigede nyrer eller andre nyresygdomme.

Den vellykkede proof-of-concept undersøgelse udvider potentialet for en ny race af terapeutiske programmerbare nanostrukturer, konstrueret til at løse fjerntliggende medicinske udfordringer, fra smart medicinlevering til præcist målrettet organ- og vævsreparation.