Een nieuwe studie op basis van nanotechnologie biedt hoop voor de behandeling van acuut nierletsel en nierfalen.
De nier is een essentieel vitaal orgaan dat kritieke functies in het lichaam vervult. Het verwijdert afvalstoffen en extra water uit onze bloedbaan om urine te produceren die vervolgens via de urineleiders van de nieren naar de blaas stroomt. Deze afvalstoffen die in ons lichaam worden geproduceerd door normale afbraak van spieren en voedsel, moeten efficiënt worden weggegooid en uitgescheiden.
Bij acuut nierfalen , tegenwoordig acute nierschade (AKI) genoemd, hopen stikstofhoudende afvalstoffen zich snel op en neemt de urineproductie af, oftewel het lichaam heeft moeite met het produceren van urine. Dit gebeurt binnen een korte tijdspanne (dagen of zelfs uren) na het begin van de aandoening, wat ernstige complicaties kan veroorzaken. De belangrijkste oorzaak van AKI is oxidatieve stress, die ontstaat door een verstoord evenwicht tussen vrije radicalen en antioxidanten als gevolg van een toename van zuurstofhoudende afvalproducten. Dit veroorzaakt schade aan lipiden, eiwitten en DNA . Deze situatie leidt tot ontstekingen en verergert de nierziekte. Er is dan een verhoogde kans op het ontwikkelen van hart- en vaatziekten en kanker. Daarom is het bekend dat antioxidantrijke voedingsmiddelen en supplementen beschermen tegen de schadelijke effecten van zuurstofhoudende afvalproducten. Wanneer de nierziekte ernstiger wordt, zijn ondersteunende therapieën zoals rehydratatie en dialyse nodig en kan zelfs een niertransplantatie noodzakelijk zijn. Er bestaat geen genezing voor AKI, waardoor het jaarlijks verantwoordelijk is voor miljoenen sterfgevallen.
Het beschermen en behandelen van gewonde nieren blijft een enorme uitdaging in de geneeskunde. Een anti-oxidant medicijn NAC (N-acetylcysteïne), dat als de gouden standaard wordt beschouwd, wordt over het algemeen gebruikt om de nieren te beschermen tegen toxiciteit tijdens procedures, maar dit medicijn heeft een slechte biologische beschikbaarheid en heeft dus een beperkte effectiviteit.
Nanotechnologische benadering voor therapie
De toepassing van nanotechnologie in biomedische methoden, waaronder therapie, heeft de afgelopen decennia een snelle groei doorgemaakt. Dergelijke toepassingen blijken echter beperkingen te hebben bij de behandeling van nierziekten. In een nieuwe studie beschrijven wetenschappers uit de VS en China een nieuwe preventieve methode om acute nierinsufficiëntie (AKI) te voorkomen en te behandelen met behulp van nanotechnologie. Deze methode maakt gebruik van minuscule, zelfassemblerende structuren met een diameter van slechts een miljardste van een meter. Deze structuren zijn ontworpen en ontwikkeld met behulp van de nanotechnologietechniek ' DNA-origami ', waarbij de basenparing van vier DNA- nucleotiden wordt gebruikt om zogenaamde DNA- origami-nanostructuren (DON's) te ontwerpen en te fabriceren. Deze nanostructuren – in de vorm van een driehoek, buis of rechthoek – kunnen vervolgens worden gebruikt voor diverse taken in het lichaam. De architectuur van dergelijke nanostructuren is bij uitstek geschikt voor levende systemen, omdat ze stabiel zijn en een lage toxiciteit en immunogeniteit hebben.
DNA- origami-nanostructuren assembleren zichzelf en hechten zich vast aan verschillende delen van de nieren, waar ze een beschermende laag vormen. Dit is waargenomen bij het beoordelen van hun fysiologische verspreiding met behulp van kwantitatieve beeldvorming door middel van positronemissietomografie (PET). Hun onderzoek is gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering . De onderzoeksgroep maakte verschillende DNA- origami-structuren en gebruikte tevens radioactieve labeling om hun gedrag in de nieren van muizen te bestuderen, terwijl ze tegelijkertijd analyseerden met PET-beeldvorming. De structuren bleken zich op te hopen in de nieren van zowel gezonde muizen als muizen met acute nierinsufficiëntie (AKI).
Uit het onderzoek bleek dat DNA- origami-nanostructuren snel (binnen slechts 2 uur) en zeer effectief de nieren beschermen en tevens een therapeutisch effect hebben op de symptomen van acute nierinsufficiëntie (AKI). Bij onderzoek van hun verspreiding in realtime met behulp van een PET-scan werd vastgesteld dat met name rechthoekige nanostructuren het meest effectief waren in het beschermen van de nieren, op dezelfde manier als een standaardmedicijn. Deze structuren binden zuurstofhoudende afvalstoffen en beschermen de cellen tegen schade door oxidatieve stress. Ze helpen de balans tussen vrije radicalen en antioxidanten in en rond de nieren te behouden, waardoor oxidatieve stress, de belangrijkste oorzaak en het symptoom van AKI, wordt verminderd en verlicht. De werking van de DON's voorkomt dat de nierziekte zich verder ontwikkelt. De DON's werden getest op zowel levende muizennieren als menselijke embryonale niercellen. Deze structuren fungeerden als een beschermende laag en verbeterden de nierfunctie bij AKI net zo effectief als traditionele medicamenteuze therapieën, met name het medicijn NAC voor AKI.
DNA-origami-structuren waren aanhoudend aanwezig in de nieren, wat volgens de auteurs te wijten is aan verschillende factoren, waaronder resistentie van DON's tegen spijsverteringsenzymen en het vermijden van bewaking van het immuunsysteem. Fysiologisch werd de verbetering van de nierfunctie beoordeeld door het vaststellen van niveaus van serumcreatinine en bloedureumstikstof en het was duidelijk dat er een significante verbetering was in de nieruitscheidingsfunctie vergelijkbaar met standaard medicamenteuze therapie.
Deze multidisciplinaire studie combineert expertise op het gebied van nanogeneeskunde en in-vivo beeldvorming en is de eerste die de verspreiding van DNA- nanostructuren in een levend systeem onderzoekt door hun gedrag live te volgen. DNA-nanostructuren hebben een lage toxiciteit voor de belangrijkste organen van het lichaam, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor klinisch gebruik bij mensen. Deze moderne technologie vormt een sterke basis voor lokale bescherming van de nieren tegen acute nierinsufficiëntie (AKI) en kan worden gebruikt voor het ontwikkelen van nieuwe therapeutische benaderingen voor de behandeling van AKI en andere nierziekten. Een oplossing voor nierziekten zou werkelijkheid kunnen worden voor patiënten die lijden aan acute nierinsufficiëntie. De studie draagt bij aan het potentieel van therapeutische programmeerbare nanostructuren die kunnen worden gebruikt voor gerichte medicijnafgifte en herstel van organen en weefsels in het lichaam.
***
Bron (nen)
Jiang D et al. 2018. DNA- origami-nanostructuren kunnen een voorkeur hebben voor opname in de nieren en acute nierschade verlichten. Nature Biomedical Engineering . 2(1). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0317-8
***
