In een recente studie hebben onderzoekers voor het eerst een volledig autonoom nanorobotsysteem ontwikkeld voor het specifiek richten op kanker
In een belangrijke doorbraak in de nanogeneeskunde, het vakgebied dat nanotechnologie combineert met geneeskunde, hebben onderzoekers nieuwe therapeutische behandelingsmethoden ontwikkeld met behulp van zeer kleine, molecuulgrote nanodeeltjes (machines of robots die bijna de microscopische schaal van een nanometer (10⁻⁹ m) benaderen om kanker te bestrijden , zo blijkt uit deze opmerkelijke studie die is gepubliceerd in Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: de magische transporter
DNA- origami is een proces waarbij DNA op nanoschaal wordt gevouwen en gebruikt om actieve structuren op de kleinste schaal te bouwen (origami, zoals in de kunst van het papiervouwen). DNA is een uitstekende informatieopslag en structuren die ervan gemaakt zijn, kunnen daarom als informatiedragers dienen. In lijn met deze eigenschap kunnen deze DNA-nanodeeltjes (of 'DNA-nanorobots', 'nanorobots' of simpelweg 'nanobots') ladingen verplaatsen en tillen op de kleinste schaal voor specifieke taken in het menselijk lichaam en zijn daarom geschikt voor vele nanorobotische toepassingen. De grootte van zo'n nanobot is 1000 keer kleiner dan een enkele menselijke haar. Dit vakgebied van de nanorobotica is de afgelopen twee decennia zeer veelbelovend geweest en veel experts hebben zich gericht op de ontwikkeling van dergelijke nanostructuren op basis van DNA die zichzelf in allerlei vormen en maten kunnen vouwen om de geneeskunde, met name therapie en medicijnafgifte, te revolutioneren.
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 een recent onderzoek, een samenwerking tussen Arizona State University (VS) en het National Centre for Nano Science and Technology van de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, hebben onderzoekers met succes geautomatiseerde nanobots ontworpen, gebouwd en nauwkeurig bestuurd om actief kankertumoren in het lichaam op te sporen en te vernietigen – zonder gezonde cellen te beschadigen. Ze overwonnen verschillende uitdagingen waar nanowetenschappers al meer dan twee decennia mee worstelen, door een zeer eenvoudige en rechtstreekse strategie te ontwerpen en te gebruiken om de tumor op te sporen en te vernietigen. De strategie bestond erin de bloedtoevoer naar een tumorcel specifiek af te snijden door bloedstolling in de tumorcel te induceren met behulp van op DNA gebaseerde nanobots. Ze bedachten iets ogenschijnlijk eenvoudigs: een belangrijk bloedstollingsenzym (trombine) bevestigen aan het oppervlak van de platte, nanoschaal DNA-origami-nanobot. Gemiddeld werden vier moleculen trombine bevestigd aan het platte oppervlak van het DNA- origami-vel van 90 nm bij 60 nm. Dit platte vel werd gevouwen als een vel papier, waardoor de nanobots de vorm van een holle buis aannamen. Deze nanobots werden geïnjecteerd in een muis (waarin agressieve tumorgroei was opgewekt). Ze reisden door de bloedbaan en bereikten hun doelwit – de tumoren – waar ze zich eraan hechtten. Vervolgens werd de lading van de nanobot – het enzym trombine – afgeleverd, waardoor de bloedtoevoer naar de tumor werd geblokkeerd. Dit leidde tot bloedstolling in de bloedvaten die de tumorgroei voeden, met als gevolg de vernietiging van het tumorweefsel of celdood. Dit hele proces verloopt opmerkelijk snel en de nanobots omringen de tumor binnen enkele uren na de injectie. Na 36 uur werd in alle tumorcellen bewijs gevonden van gevorderde trombose.
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 aanpak zou ook bij mensen kunnen worden toegepast, aangezien de auteurs hebben aangetoond dat dit systeem ook is getest op een primair muizenmodel voor longkanker – dat het klinische verloop van longkanker bij mensen nabootst – en dat er na een behandeling van twee weken sprake was van tumorregressie. Deze studies werden uitgevoerd bij muizen, en binnen twee weken werd een vergelijkbaar aantoonbaar effect gezien bij borstkanker, melanoom, eierstokkanker en longkanker. Het onderzoek moet echter nog bij mensen worden uitgevoerd om de plausibiliteit van vergelijkbare resultaten te bevestigen, en er zijn robuuste klinische studies nodig om dit 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.
***
Bron (nen)
Li S et al 2018. Een DNA-nanorobot functioneert als kankertherapeuticum in reactie op een moleculaire trigger in vivo. Nature Biotechnology . https://doi.org/10.1038/nbt.4071
***
