V nedávné studii vědci poprvé vyvinuli plně autonomní nanorobotický systém pro specifické cílení na rakovinu
V rámci velkého pokroku v nanomedicíně, oboru, který kombinuje nanotechnologii s medicínou, výzkumníci vyvinuli nové cesty terapeutické léčby pomocí velmi malých nanočástic o velikosti molekuly (stroje nebo roboty, které se blíží mikroskopickému měřítku nanometru 10–9 m). cílová rakovina, v této pozoruhodné studii publikované v Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: magický transportér
DNA origami je proces, při kterém je DNA složena v nanoměřítku a používá se k budování aktivních struktur v nejmenších měřítcích (origami jako v umění skládání papíru). DNA je velkým úložištěm informací, a tak struktury, které jsou z ní vybudované, mohou být použity jako nosiče informací. V souladu s touto schopností mohou tyto nanočástice DNA (neboli „nanoroboti DNA“ nebo „nanoroboti“ nebo jednoduše „nanoboti“) přemisťovat a zvedat náklad v nejmenších měřítcích pro specifické úkoly v lidském těle, a proto jsou vhodné pro mnoho nanorobotické aplikací. Velikost takového nanobota je 1000krát menší než jeden pramen lidských vlasů. Tato oblast nanorobotiky byla v posledních dvou desetiletích plná vzrušení a mnoho odborníků se soustředilo na vývoj takových struktur v nanoměřítku založených na DNA, které se mohou skládat do nejrůznějších tvarů a velikostí, aby způsobily revoluci v medicíně, zejména v terapii a dodávání léků.
Technologie nanorobotů je nyní široce používána a již způsobila revoluci v oblastech, jako je lékařské zobrazování, zařízení, senzory, energetické systémy a také medicína. V medicíně mají nanoboti významné výhody především proto, že nevyvolávají žádné škodlivé aktivity, nemají možné vedlejší účinky a jsou velmi specifické, na které místo v těle zacílí a na které působí. Počáteční náklady na vývoj nanorobotů mohou být vysoké, ale výroba, když se provádí konvenční metodou dávkového zpracování, náklady do značné míry snižuje. Navíc jsou nanoroboty díky nepatrné velikosti ideální pro zacílení na bakterie a viry. Také maličký nanorobot může být velmi snadno vpraven do těla a snadno proplouvá krví (oběhovým systémem) a pomáhá při odhalování problémů a jejich léčbě. Nanoboti získali velký význam ve výzkumu rakoviny, protože mohou být bezbolestnou alternativou chemoterapie, která je jinak velmi stresující a pro pacienta představuje obrovskou osobní a finanční zátěž. Chemoterapie je nejen drsný způsob léčby rakoviny, ale kromě napadení rakovinných buněk zanechává v těle několik vedlejších účinků. Přesto věda nebyla schopna objevit žádnou novou alternativu k chemoterapii pro léčbu této život ohrožující nemoci zvané rakovina. Nanoboti mají potenciál změnit tento scénář v nadcházejících letech tím, že budou účinnější, chytřejší a cílenější alternativou útočící na rakovinu.
Zacílení na rakovinu
V této nedávné studii, spolupráce mezi Arizona State University, USA, a National Center for Nano věda a technologie Čínské akademie věd v Pekingu výzkumníci úspěšně navrhli, postavili a pečlivě řídili automatizované nanoboty, aby aktivně vyhledávali a přesně ničili rakovinné nádory uvnitř těla – a přitom nepoškozovali žádnou ze zdravých buněk. Překonali několik výzev, které sužují nanovědce již více než dvě desetiletí, a to navržením a použitím velmi jednoduché a přímočaré strategie k vyhledání a zničení nádoru. Strategií bylo specificky přerušit přívod krve do nádorové buňky vyvoláním koagulace krve do nádorové buňky pomocí nanobotů na bázi DNA. Napadlo je tedy něco zdánlivě jednoduchého – připojit klíčový enzym pro srážení krve (tzv. trombin) na povrch plochého nanobota s nanoměřítky DNA origami. Průměrně čtyři molekuly trombinu byly připojeny k plochému povrchu DNA origami list o velikosti 90nm x 60nm. Tento plochý list byl složen jako list papíru, díky kterému se nanoboti formovali do tvaru duté trubice. Tito nanoboti byli vstříknuti do myši (což bylo vyvoláno agresivním růstem nádoru), putovali krevním řečištěm, dosáhli a navázali se na svůj cíl – nádory. Následně je dodán náklad nanobotů – enzym trombin – a tím blokuje průtok krve nádorem vedoucí ke srážení krve v cévách, které živí růst nádoru, což vede k destrukci nádorové tkáně nebo smrti buněk. Je zajímavé, že celý tento proces probíhá velmi rychle a nanoboti obklopí nádor během několika hodin po injekci. Důkaz pokročilé trombózy ve všech nádorových buňkách byl pozorován po 36 hodinách injekce.
Dále se autoři také postarali o zahrnutí speciálního nákladu na povrch nanobota (nazývaného DNA aptamer), který by se specificky zaměřoval na protein zvaný nukleolin, který se ve velkém množství tvoří pouze na povrchu nádorových buněk, čímž se snižuje šance, že nanoboti někdy zaútočí na zdravé buňky, je nulová. Tito nanoboti nejen redukovali a zabíjeli nádorové buňky, ale také zabránili metastázám – sekundárnímu rakovinnému bujení na vzdáleném místě.
Bezpečnost a účinnost
Autoři zdůrazňují, že nanoboti jsou bezpeční a imunologicky inertní pro použití u myší a dokonce i prasat a použití nanobotů neprokázalo žádné změny v normální koagulaci krve jinde nebo buněčné struktuře nebo jakékoli breechince do mozku. Byly tedy označeny jako bezpečné a účinné pro zacílení a zmenšení nádorů bez jakýchkoliv nežádoucích vedlejších účinků. U většiny nanobotů bylo také vidět, že se po 24 hodinách degradují a odstraňují z těla. Ačkoli by nanoboti mohli být navrženi v modelu „replikujících se nanobotů“, což je pochopitelné, aby se udržely nízké náklady, protože se vyrobilo několik kopií a ostatní nanoboti se vytvořili sami, je jasné, že takový přístup by měl být aplikován pouze za zvláštních okolností. . Pokud jde o oblast medicíny, musí být také zaveden spolehlivý vypínač zabíjení, aby se zabránilo jakýmkoli extrémním okolnostem na uzdě. Právní orgány musí navrhnout předpisy, aby se zabránilo jakémukoli zneužití nanobotů v medicíně, například ozbrojených nanobotů. Když vezmeme v úvahu všechny faktory, účinnost nanobotů nás přivádí k bodu, že je nelze přehlédnout a pohled na jejich potenciální nanoboty bude v budoucnu nezbytnou součástí medicíny.
Podobný přístup by mohl být použit u lidí, protože autoři ukázali, že tento systém byl také testován na primárním myším modelu rakoviny plic – který napodobuje lidský klinický průběh plic rakovina pacientů - a po dvoutýdenní léčbě vykazovali regresi nádoru. Také tyto studie byly provedeny na myších a během dvou týdnů byl u zvířat pozorován podobný prokazatelný účinek na rakovinu prsu, melanom, rakovinu vaječníků a plic. Studie však musí být provedena na lidech, aby se potvrdila věrohodnost podobných výsledků, a k dosažení stejného je třeba provést důkladné klinické studie.
Velmi chytrý a cílený způsob, jak zaútočit na rakovinu
Jedním z hlavních úkolů léčby rakoviny je pečlivě a správně rozlišovat mezi rakovinnými nádorovými buňkami a normálními, zdravými tělesnými buňkami. Konvenční přístup k vyhýbání se a zabíjení nádorových buněk – chemoterapie a radiační terapie – selhává při selektivním zacílení nádorových buněk bez interakce s normálními tělesnými buňkami. Chemoterapie a také radiační terapie mají tedy tendenci způsobovat vážné vedlejší účinky, jak malé, tak velké, včetně poškození orgánů, které má za následek velmi zhoršenou léčbu rakoviny, a tedy nízkou míru přežití pacientů. Nanoboti, jako jsou ti popsaní v této studii, jsou první svého druhu u savců, kteří jsou velmi silní a efektivní při identifikaci nádorových buněk a omezování jejich růstu a proliferace. Tento DNA robotický systém lze použít pro přesnou a cílenou léčbu rakoviny u mnoha typů rakoviny, protože všechny krevní cévy vyživující solidní nádory jsou v podstatě stejné.
Tento výzkum vydláždil cestu do budoucna k zahájení uvažování a plánování praktických lékařských řešení využívajících technologický pokrok. Konečným cílem výzkumu rakoviny je úspěšná eradikace solidních nádorů bez závažných vedlejších účinků a snížení metastáz. Podíváme-li se na tuto studii, vidíme obrovskou naději do budoucna, kde by tato současná strategie mohla být ideální pro dosažení konečného cíle v boji proti rakovině. A nejen rakovinu, tato strategie by mohla být také vyvinuta jako platforma pro dodávání léků pro léčbu mnoha dalších nemocí, protože přístup by spočíval pouze v úpravě struktury nanobotů a změně naloženého nákladu. Nanoboti nám také mohou pomoci dále porozumět složitosti lidského těla a mozku. To také pomůže při provádění bezbolestných a neinvazivních operací, a to i těch nejsložitějších. Hypoteticky by v tomto bodě mohli nanoboti díky své velikosti také procházet mozkovými buňkami a generovat všechny související informace potřebné pro další výzkum. V budoucnu, řekněme za dvě desetiletí, by jediná injekce nanobota mohla být schopna úplně vyléčit nemoci.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Li S et al 2018. DNA nanorobot funguje jako lék na rakovinu v reakci na molekulární spouštěč in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
