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.
in acute nierfalen, nu acuut nierletsel (AKI) genoemd, stapelen stikstofhoudende afvalstoffen zich snel op en de urineproductie neemt af, dwz het lichaam worstelt om urine te produceren. Dit gebeurt binnen een korte tijdspanne (dagen of zelfs uren) na het begin van de aandoening die ernstige complicaties veroorzaakt. De belangrijkste oorzaak van AKI is oxidatieve stress die optreedt als gevolg van een verstoord evenwicht tussen vrije radicalen en anti-oxidant afweer als gevolg van een toename van zuurstofbevattende afvalproducten, waardoor schade aan lipiden, eiwitten en DNA. Dit scenario veroorzaakt ontstekingen en bevordert de nierziekte. De kans op hart- en vaatziekten en kanker is dan groot. Daarom is bekend dat antioxidantenrijke voedingsmiddelen en supplementen beschermen tegen schadelijke effecten van zuurstofhoudende afvalproducten. Wanneer de ernst van de nierziekte vordert, zijn ondersteunende therapieën zoals rehydratatie en dialyse nodig en kan zelfs een niertransplantatie nodig zijn. Er is geen remedie beschikbaar voor AKI, waardoor het verantwoordelijk is voor miljoenen sterfgevallen per jaar.
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, is de afgelopen decennia in een stroomversnelling geraakt. Maar dergelijke toepassingen hebben beperkingen aangetoond bij de behandeling van nierziekten. In een nieuwe studie hebben wetenschappers uit de VS en China een nieuwe preventieve methode beschreven om AKI te stoppen en te behandelen door gebruik te maken van nanotechnologie met kleine zelfassemblerende vormen die slechts een miljardste van een meter in diameter zijn. Deze vormen zijn ontworpen en ontwikkeld met behulp van de nanotechnologiemethode genaamd 'DNA-origami' waarin basenparing van vier DNA nucleotiden worden gebruikt om te manipuleren en te fabriceren wat wordt genoemd DNA origami nanostructuren (DON's). Deze nanostructuren – driehoekig, buisvormig of rechthoekig van vorm – kunnen vervolgens worden gebruikt voor het uitvoeren van verschillende 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 immunogeniciteit hebben.
DNA origami-nanostructuren assembleren zichzelf en klikken vast op verschillende delen van de nieren en vormen er een beschermende laag omheen. Dit is gezien bij het beoordelen van hun fysiologische distributie met behulp van kwantitatieve beeldvorming door positronemissietomografie (PET). Hun onderzoek is gepubliceerd in Natuur Biomedische Technologie. De groep bereidde er verschillende voor DNA origami-structuren en ook gebruikt radio labelen om hun gedrag in de nieren van muizen te bestuderen terwijl ze worden geanalyseerd met behulp van PET-beeldvorming. Er werd gezien dat ze zich ophoopten in de nieren van gezonde muizen en ook in die van muizen met AKI.
Het onderzoek liet zien hoe DNA origami-nanostructuren werken als een snelle (binnen slechts 2 uur) en zeer actieve nierbeschermer en waren ook therapeutisch bij het verlichten van de symptomen van AKI. Bij onderzoek van hun real-time distributie met behulp van een PET-scan bleek dat vooral rechthoekige nanostructuren het meest succesvol waren in het beschermen van de nieren op dezelfde manier als een standaardmedicijn. Deze structuren sporen zuurstofhoudende afvalproducten op en isoleren de cellen tegen schade als gevolg van oxidatieve stress. Ze helpen het evenwicht van vrije radicalen en antioxidantafweer in en rond de nieren te behouden en verminderen en verlichten oxidatieve stress, de belangrijkste bron en symptoom van AKI. De door DON's genomen maatregelen voorkomen dat de nierziekte zich verder ontwikkelt. DON's werden getest op zowel de niercellen van levende muizen als op menselijke embryonale niercellen. Deze structuren fungeerden als een beschermende bewaker en verbeterden de nierfunctie bij AKI net zo effectief als traditionele medicamenteuze therapieën, met name NAC-medicijnen 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 studie ooit waarin de verspreiding ervan wordt onderzocht DNA nanostructuren in een levend systeem door hun gedrag live te volgen. DON's hebben een lage toxiciteit in de belangrijkste organen van het lichaam, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor klinisch gebruik bij mensen. Deze moderne technologie vormt een sterke basis die de nieren lokaal kan beschermen tegen AKI en kan worden gebruikt om nieuwe therapeutische benaderingen te ontwerpen voor de behandeling van AKI en andere nierziekten. Een oplossing voor nierziekten zou werkelijkheid kunnen worden voor patiënten met acuut nierletsel. De studie draagt bij aan het potentieel van therapeutisch programmeerbare nanostructuren die kunnen worden gebruikt voor gerichte medicijnafgifte en orgaan- en weefselherstel in het lichaam.
***
Bron (nen)
Jiang D et al. 2018. DNA origami-nanostructuren kunnen een preferentiële opname door de nieren vertonen en acuut nierletsel verlichten. Natuur Biomedische Technologie. 2 (1). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0317-8
***
