Forskere skaber overfølsomme nanomaterialer til DNA -diagnostik og målrettet lægemiddellevering

I 1900, Den tyske læge Paul Ehrlich kom med forestillingen om en "magisk kugle". Grundtanken er at injicere en patient med smarte partikler, der er i stand til at finde, genkende, og behandling af en sygdom. Medicin har forfulgt den magiske kugle lige siden.

Russiske forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og Prokhorov General Physics Institute, RAS, har gjort fremskridt mod det mål. Anført af MIPT's Maxim Nikitin, holdet offentliggjorde et papir i ACS Nano , præsenterer et smart materiale med unikke egenskaber, som løfter om ekspress-DNA-analyse og næste generations lægemidler mod kræft og andre alvorlige sygdomme.

Levering af medicin til de celler, der er ramt af en sygdom, er en stor flaskehals i diagnostik og terapi. Lægemidlerne bør ideelt set kun nå de patogene celler, uden at skade de raske. Der er en række markørforbindelser, der afgiver kræftceller. Blandt disse oplysende molekyler, findes på overfladen af ​​de berørte celler eller i deres mikromiljø, er affaldsstoffer og dem, der sendes til andre celler som signaler.

Moderne lægemidler er afhængige af en sådan markør for at identificere syge celler. Imidlertid, det er normalt sådan, at raske celler bærer de samme markører, om end i mindre mængder. Det betyder, at de eksisterende målrettede lægemiddelleveringssystemer ikke er perfekte. For at gøre levering af lægemidler mere specifik, der kræves smarte materialer, der er i stand til at analysere flere miljøparametre på én gang, søger målet med en større præcision.

"De konventionelt anvendte metoder til levering af lægemidler er som at sende et brev med byen og gaden skrevet på konvolutten, men uden hus- og lejlighedsnumre, "hovedforsker og leder af MIPT's Nanobiotechnology Lab Maxim Nikitin kommenterede." Vi skal være i stand til at analysere flere parametre for at sikre effektiv levering. "

Tidligere har Nikitin og medforfattere udviklede nano- og mikropartikler, der er i stand til at udføre komplekse logiske beregninger via biokemiske reaktioner. I deres papir fra 2014 i Naturnanoteknologi , forskerne rapporterede, at deres autonome nanocomputere kunne analysere mange parametre for et mål og derfor var meget bedre til at identificere det.

I de sidste par år har der været mange fremskridt inden for biocomputermaterialer. I 2018, hundredvis på hundredvis af papirer var blevet offentliggjort om emnet. Kemiske anmeldelser , feltets mest velrenommerede tidsskrift, offentliggjort en anmeldelse af nutidig nanorobotik og biocomputing. Papiret, med undertitlen "Dawn of Theranostic Nanorobots, "blev forfattet af forskere fra MIPT's Nanobiotechnology Lab og Biophotonics Lab fra Prokhorov General Physics Institute ved Russian Academy of Sciences (RAS).

På trods af en lang række forskerhold rundt om i verden, der forsøger at udvide funktionaliteten af ​​biocomputermaterialer, de er stadig ikke følsomme nok over for sygdomsmarkører, gør praktiske applikationer umulige.

Teamets seneste papir i ACS Nano markerer et gennembrud på dette område. De har udviklet et unikt smart materiale præget af overfølsomhed over for DNA -signaler. Det er flere størrelsesordener mere følsomme end den nærmeste konkurrent. I øvrigt, det nye materiale udviser en højere følsomhed end langt de fleste af de i øjeblikket tilgængelige ekspres -DNA -assays.

Forskerne opnåede dette bemærkelsesværdige resultat, efter at de opdagede, at DNA -molekyler udviser usædvanlig adfærd på overfladen af ​​nanopartikler.

I undersøgelsen, den ene ende af et enkeltstrenget DNA-molekyle blev fastgjort til en nanopartikel. Vigtigere, molekylet havde ingen hårnåle - det vil sige dobbeltstrengede segmenter, hvor en del af kæden klæber til sig selv. Teamet udstyrede den anden ende af DNA -kæden med en lille molekylær receptor. I modsætning til forventningerne, receptoren binder ikke sit mål. Efter at have udelukket en fejl, forskerne antog, at enkeltstrenget DNA kan klæbe til nanopartiklen og spole op, skjuler receptoren under den, på partikeloverfladen.

Hypotesen viste sig at være rigtig, da teamet tilføjede komplementære enkelte DNA -tråde til deres partikel. Receptoren blev øjeblikkeligt aktiv, bindende sit mål. Dette skete, fordi bindingerne mellem de komplementære nukleotider fik de to DNA -tråde til at danne en stiv dobbelt helix, eller dupleks. Som en kameleontunge, strengen viklet ud, eksponering af receptoren for målbinding.

Sådan udrulning af DNA -strengen ligner den for et molekylært fyrtårn. Dette refererer til et enkeltstrenget DNA, hvis ene ende danner en duplex med den modsatte ende, foldning af strukturen. En komplementær DNA -streng kan udfolde fyrtårnet. Imidlertid, der er en betydelig og nyttig sondring. "I modsætning til molekylære beacons, det opdagede fænomen gør det muligt at indstille kraften af ​​DNA -krølning på nanopartiklen adskilt fra retningskraften af ​​input -DNA. Dette fører til dramatisk bedre følsomhed over for input, "bemærkede undersøgelsens første forfatter Vladimir Cherkasov, en førende forsker ved Nanobiotechnology Lab, MIPT.

I deres papir, forskerne demonstrerer midler, der er i stand til at detektere DNA -koncentrationer så lave som 30 femtomol (30 milliarder af en milliontedel mol) pr. liter, uden DNA og/eller signalforstærkning. Undersøgelsens medforfatter Elizaveta Mochalova, en doktorand ved MIPT's Nanobiotechnology Lab, tilføjede:"Vi viste følsomheden for at være så høj med et ganske enkelt lateralt flowassay, som er meget udbredt i graviditetstest. I modsætning til de eksisterende DNA -assays, sådanne tests kan udføres uden for en ren laboratorieindstilling og kræver ikke avanceret udstyr. Dette gør teknologien velegnet til hurtig screening af infektionssygdomme, madtestsæt til hjemmebrug, og lignende ting. "

Forfatterne af papiret har også vist, at teknologien kan anvendes til design af smarte nanoagenter, der ville genkende kræftceller baseret på koncentrationen af ​​lille DNA i deres mikromiljø. Ikke længe siden, man troede, at små nukleinsyrer bare var meningsløse affald som følge af genanvendelse af større funktionelle molekyler. Imidlertid, små RNA'er viste sig at være nøgleregulatorer for mange processer i levende celler. Biologer identificerer i øjeblikket sygdomsmarkører blandt disse RNA'er.

"Interessant nok, jo mindre længde af nukleinsyren, der skal detekteres, jo mere konkurrencedygtig vores teknologi bliver, "Kommenterede Nikitin." Vi kan fremstille ultrafølsomme midler kontrolleret af velstuderede små RNA'er, der er 17 til 25 baser lange. Imidlertid, hvis vi tager sekvenser, der er mindre end 10 nukleotider lange, der er simpelthen ingen teknologier med sammenlignelig følsomhed. "

"Hvad der er endnu mere spændende er, at vores metode gør det muligt at undersøge cellernes mikromiljø for at afgøre, om kortere små RNA'er er nyttige sygdomsmarkører frem for de meningsløse forbindelser, de normalt anses for at skyldes vanskelighederne ved deres påvisning, "tilføjede forskeren.

Den nyudviklede teknologi giver udsigt til genomik, både med hensyn til ekspres-point-of-care DNA-assays og til udvikling af næste generations terapeutiske nanomaterialer. De seneste år har oplevet enorme gennembrud inden for genomforskning og redigering, men den nye teknologi kunne løse det problem, der stadig er relevant:kun at levere medicin til cellerne med en bestemt mikromiljøgenetisk profil.

Forskerne planlægger at fortsætte med at udvikle deres teknologi. Dette omfatter fremtidigt arbejde på MIPTs nyligt etablerede Center for Genomiske Teknologier og Bioinformatik.