In een recente studie hebben onderzoekers voor het eerst een volledig autonoom nanorobotsysteem ontwikkeld voor het specifiek richten op kanker
Bij een belangrijke vooruitgang in de nanogeneeskunde, het gebied dat nanotechnologie combineert met medicijnen, hebben onderzoekers nieuwe wegen ontwikkeld voor therapeutische behandeling met behulp van zeer kleine nanodeeltjes van molecuulformaat (machines of robots die dicht bij de microscopische schaal van een nanometer 10-9 m liggen) om doelwit kanker, in deze opmerkelijke studie gepubliceerd in Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: de magische transporter
DNA origami is een proces waarbij een DNA op nanoschaalniveau wordt gevouwen en wordt gebruikt om actieve structuren op de kleinste schaal te bouwen (origami zoals in de kunst van het papiervouwen). DNA is een geweldige opslagplaats voor informatie en daarom kunnen structuren die daaruit worden opgebouwd als informatiedragers worden gebruikt. In lijn met dit vermogen kunnen deze DNA-nanodeeltjes (of ‘DNA-nanorobots’ of ‘nanorobots’ of kortweg ‘nanobots’) op de kleinste schaal vracht verplaatsen en tillen voor specifieke taken in het menselijk lichaam en dus geschikt zijn voor veel toepassingen. nanorobot toepassingen. De grootte van zo’n nanobot is 1000 keer kleiner dan een enkele menselijke haarlok. Dit gebied van de nanorobotica is de afgelopen twintig jaar vol opwinding geweest en veel experts hebben zich geconcentreerd op de ontwikkeling van dergelijke structuren op nanoschaal, gebaseerd op DNA, die zichzelf in allerlei vormen en maten kunnen opvouwen om een revolutie teweeg te brengen in de geneeskunde, met name therapie en medicijntoediening.
Nanorobot-technologie wordt nu op grote schaal gebruikt en heeft al een revolutie teweeggebracht in gebieden zoals medische beeldvorming, apparaten, sensoren, energiesystemen en ook medicijnen. In de geneeskunde hebben nanobots aanzienlijke voordelen, vooral omdat ze geen schadelijke activiteiten genereren, geen mogelijke bijwerking hebben en zeer specifiek zijn op welke plaats in het lichaam ze zich zullen richten en waarop ze zullen opereren. De initiële kosten van de ontwikkeling van nanorobots zijn misschien hoog, maar de fabricage, wanneer gedaan door de conventionele methode van batchverwerking, vermindert de kosten in hoge mate. Verder maakt de minuscule omvang van de nanorobots ze ideaal voor het richten op bacteriën en virussen. Ook kan een kleine nanorobot heel gemakkelijk in het lichaam worden geïnjecteerd en zweeft het gemakkelijk door het bloed (de bloedsomloop) en helpt het bij het opsporen van de problemen en het behandelen ervan. Nanobots hebben veel betekenis gekregen in kankeronderzoek, omdat ze een pijnloos alternatief kunnen zijn voor chemotherapie, die anders erg stressvol is en een enorme persoonlijke en financiële last voor de patiënt met zich meebrengt. Chemotherapie is niet alleen een harde manier om kanker te behandelen, maar afgezien van het aanvallen van de kankercellen, laat de procedure verschillende bijwerkingen achter in het hele lichaam. Toch is de wetenschap er niet in geslaagd een nieuw alternatief voor chemotherapie te ontdekken voor de behandeling van deze levensbedreigende ziekte die kanker wordt genoemd. Nanobots hebben het potentieel om dit scenario in de komende jaren te veranderen door een efficiënter, slimmer en gerichter alternatief te zijn om kanker aan te pakken.
gericht op kanker
In deze recente studie, een samenwerking tussen de Arizona State University, VS, en het National Center for Nano wetenschap en technologie van de Chinese Academie van Wetenschappen, Peking, hebben onderzoekers met succes geautomatiseerde nanobots ontworpen, gebouwd en zorgvuldig gecontroleerd om kankertumoren in het lichaam actief te zoeken en nauwkeurig te vernietigen - zonder de gezonde cellen te beschadigen. Ze overwonnen verschillende uitdagingen die nanowetenschappers al meer dan twee decennia teisteren, door een zeer eenvoudige en duidelijke strategie te ontwerpen en te gebruiken om de tumor te zoeken en te vernietigen. De strategie was om specifiek de bloedtoevoer in een tumorcel af te sluiten door bloedstolling in de tumorcel te induceren met behulp van op DNA gebaseerde nanobots. Dus bedachten ze iets dat schijnbaar eenvoudig was: bevestig een belangrijk bloedstollingsenzym (trombine genaamd) aan het oppervlak van de platte, nanoschaal DNA-origami-nanobot. Er waren gemiddeld vier moleculen trombine gehecht aan het platte oppervlak van de DNA origami vel van 90nm bij 60nm. Dit platte vel werd gevouwen als een vel papier waardoor de nanobots zich vormden in de vorm van een holle buis. Deze nanobots werden geïnjecteerd in een muis (die was geïnduceerd met agressieve tumorgroei), ze reisden door de bloedbaan en bereikten en binden zich aan het doelwit - de tumoren. Vervolgens wordt de lading van nanobot - enzym trombine - afgeleverd, waardoor de bloedstroom van de tumor wordt geblokkeerd tot bloedstolling in de bloedvaten die de tumorgroei voeden, waardoor de vernietiging van het tumorweefsel of celdood wordt veroorzaakt. Dit hele proces gebeurt interessant genoeg heel snel en de nanobots omringen de tumor binnen enkele uren na de injectie. Bewijs van gevorderde trombose werd in alle tumorcellen waargenomen na 36 uur injectie.
Verder zorgden de auteurs ook voor het opnemen van een speciale lading op het oppervlak van de nanobot (een DNA-aptamer genoemd) die specifiek gericht zou zijn op een eiwit, nucleoline genaamd, dat in grote hoeveelheden alleen op het oppervlak van tumorcellen wordt gemaakt, waardoor de de kans dat nanobots ooit de gezonde cellen zouden aanvallen tot nul. Deze nanobots verminderden en doodden niet alleen de tumorcellen, maar voorkwamen ook metastase - secundaire kankergroei op een verre locatie.
Veiligheid en effectiviteit
De auteurs benadrukken dat nanobots veilig en immunologisch inert zijn voor gebruik bij muizen en zelfs varkens en dat het gebruik van nanobots geen veranderingen liet zien in de normale bloedstolling elders of in de celstructuur of enige stuitligging in de hersenen. Ze zijn dus aangewezen als veilig en effectief voor het richten en verkleinen van tumoren zonder enige mogelijke ongewenste bijwerkingen. Van de meeste nanobots werd ook gezien dat ze na 24 uur degradeerden en uit het lichaam verdwenen. Hoewel de nanobots kunnen worden ontworpen in een 'replicating nanobots'-model, wat begrijpelijk is om de kosten laag te houden omdat er een paar kopieën worden gemaakt en andere nanobots zelf worden gegenereerd, is het duidelijk dat een dergelijke benadering alleen in speciale omstandigheden moet worden toegepast . Wat de geneeskunde betreft, moet er ook een onfeilbare kill-switch zijn om extreme omstandigheden op afstand te houden. Juridische autoriteiten moeten regelgeving opstellen om misbruik van nanobots in de geneeskunde, bijvoorbeeld bewapende nanobots, te voorkomen. Als we alle factoren meewegen, brengt de werkzaamheid van nanobots ons op een punt dat ze niet over het hoofd kunnen worden gezien en kijken naar hun potentiële nanobots zal in de toekomst een essentieel onderdeel van de geneeskunde zijn.
Een vergelijkbare benadering zou op mensen kunnen worden gebruikt, aangezien de auteurs hebben aangetoond dat dit systeem ook is getest op een primair muis-longkankermodel - dat het klinische verloop van longkanker bij de mens nabootst. kanker patiënten en vertoonden regressie van de tumor na een behandeling van twee weken. Ook deze studies werden uitgevoerd op muizen en binnen twee weken werd een vergelijkbaar aantoonbaar effect op borstkanker, melanoom, eierstok- en longkanker gezien bij de dieren. Het onderzoek moet echter bij mensen worden uitgevoerd om de aannemelijkheid van vergelijkbare resultaten te bevestigen en er moeten robuuste klinische onderzoeken worden uitgevoerd om hetzelfde te bereiken.
Een zeer slimme en gerichte manier om kanker aan te pakken
Een van de grootste uitdagingen van kankertherapieën is om zorgvuldig en correct onderscheid te maken tussen de kankertumorcellen en de normale, gezonde lichaamscellen. De conventionele benadering om tumorcellen te verwijderen en te doden - chemotherapie en bestralingstherapie - slaagt er niet in de tumorcellen selectief te richten zonder interactie met de normale lichaamscellen. Chemotherapie en ook bestralingstherapie hebben dus de neiging om ernstige bijwerkingen te veroorzaken, zowel kleine als grote, waaronder orgaanschade die resulteert in een zeer verslechterde behandeling van kanker en dus lage overlevingspercentages bij patiënten. Nanobots zoals degene die in deze studie worden beschreven, zijn de eerste in hun soort bij zoogdieren die zeer sterk en effectief zijn in het identificeren van tumorcellen en het verminderen van hun groei en proliferatie. Dit DNA-robotsysteem kan worden gebruikt voor nauwkeurige en gerichte kankertherapie voor vele soorten kanker, aangezien alle bloedvaten die solide tumoren voeden in wezen hetzelfde zijn.
Dit onderzoek heeft de weg vrijgemaakt om in de toekomst praktische medische oplossingen te bedenken en te plannen met behulp van technologische vooruitgang. Het uiteindelijke doel van kankeronderzoek is de succesvolle uitroeiing van solide tumoren, zonder ernstige bijwerkingen en verminderde metastase. Als we naar deze studie kijken, zien we enorme hoop voor de toekomst waarin deze huidige strategie ideaal zou kunnen zijn om het uiteindelijke doel om kanker aan te pakken te bereiken. En niet alleen kanker, deze strategie zou ook kunnen worden ontwikkeld als een medicijnafgifteplatform voor de behandeling van vele andere ziekten, omdat de benadering eenvoudigweg zou bestaan uit het wijzigen van de structuur van nanobots en het veranderen van geladen ladingen. Ook kunnen nanobots ons helpen de complexiteit van het menselijk lichaam en de hersenen beter te begrijpen. Dit zal ook helpen bij het uitvoeren van pijnloze en niet-invasieve operaties, zelfs de meest gecompliceerde. Hypothetisch gezien zouden nanobots op dit moment, vanwege hun grootte, ook door de hersencellen kunnen surfen en alle gerelateerde informatie kunnen genereren die nodig is voor verder onderzoek. In de toekomst, laten we zeggen over twee decennia, kan een enkele injectie van een nanobot ziekten mogelijk volledig genezen.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Li S et al 2018. Een DNA-nanorobot functioneert als een kankertherapeutisch middel als reactie op een moleculaire trigger in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
