Результаты открывают путь для умных нанороботов с ДНК, которые могут использовать логику для диагностики рака раньше и точнее, чем врачи сегодня; Как сообщают исследователи в онлайн-выпуске ACS Nano от 22 апреля, нацеливать лекарства на опухоли или даже производить лекарства на месте, чтобы вылечить рак.
«Мы имитируем функциональность вируса, чтобы в конечном итоге создать лекарство, которое специально нацелено на клетки», – сказал член основного факультета Института Висса Уильям Ши, доктор философии.D., старший автор статьи. Ши также является адъюнкт-профессором биологической химии и молекулярной фармакологии в Гарвардской медицинской школе и адъюнкт-профессором биологии рака в Институте рака Дана-Фарбер.
Та же стратегия маскировки может также использоваться для создания искусственных микроскопических контейнеров, называемых протоклетками, которые могут действовать как биосенсоры для обнаружения патогенов в продуктах питания или токсичных химикатов в питьевой воде.
ДНК хорошо известна тем, что несет генетическую информацию, но Ши и другие биоинженеры используют ее вместо этого в качестве строительного материала. Для этого они используют ДНК-оригами – метод, который Ши помог расширить с 2D на 3D.
В этом методе ученые берут длинную нить ДНК и программируют ее, чтобы она складывалась в определенные формы, так же, как один лист бумаги складывается для создания различных форм в традиционном японском искусстве.
Команда Ши собирает эти формы для создания наноразмерных устройств ДНК, которые однажды могут быть такими же сложными, как молекулярные механизмы, обнаруженные в клетках. Например, они разрабатывают методы для создания из ДНК крошечных роботов, которые чувствуют окружающую среду, вычисляют, как реагировать, а затем выполняют полезную задачу, такую как выполнение химической реакции или создание механической силы или движения.
Такие ДНК-нанороботы сами по себе могут звучать как научная фантастика, но они уже существуют. В 2012 году исследователи Wyss Institute сообщили в Science, что они построили наноробота, который использует логику для обнаружения клетки-мишени, а затем обнаруживает антитело, которое активирует «самоубийственный переключатель» в клетках лейкемии или лимфомы.
Чтобы ДНК-наноустройство могло успешно диагностировать или лечить болезнь, оно должно выдержать защитные силы организма достаточно долго, чтобы выполнять свою работу. Но команда Ши обнаружила, что ДНК-наноустройства, введенные в кровоток мышей, быстро перевариваются.
"Это заставило нас спросить: ‘Как мы можем защитить наши частицы от пережевывания?"?’"Сказал Ши.
Природа вдохновила на решение. Ученые разработали свои наноустройства, чтобы имитировать тип вируса, который защищает его геном, заключая его в твердый протеиновый корпус, а затем накладывая его на масляное покрытие, идентичное покрытию мембран, окружающих живые клетки.
Это покрытие или оболочка содержит двойной слой (бислой) фосфолипида, который помогает вирусам ускользать от иммунной системы и доставляет их внутрь клетки.
«Мы подозревали, что вирусоподобная оболочка вокруг наших частиц может решить нашу проблему», – сказал Ши.
Чтобы покрыть ДНК-наноустройства фосфолипидом, Стив Перро, доктор философии.D., научный сотрудник Института Висс по развитию технологий в группе Ши и ведущий автор статьи впервые свернул ДНК в октаэдр размером с вирус. Затем он воспользовался возможностями точного проектирования ДНК-нанотехнологий, построив ручки для подвешивания липидов, которые, в свою очередь, направили сборку единственной двухслойной мембраны, окружающей октаэдр.
Под электронным микроскопом покрытые наноустройства очень напоминали вирус в оболочке.
Затем Перро продемонстрировал, что новые наноустройства выживают в организме.
Он сделал это, загрузив в них флуоресцентный краситель, вводя их мышам и используя визуализацию всего тела, чтобы увидеть, какие части мыши светятся.
У мышей, получивших наноустройства без покрытия, светился только мочевой пузырь, а это означало, что животные быстро сломали их и были готовы вывести их содержимое.
Но все тело животных светилось часами, когда они получили новые наноустройства с покрытием. Это показало, что наноустройства остаются в кровотоке до тех пор, пока действуют эффективные лекарства.
Устройства с покрытием также ускользают от иммунной системы.
Уровни двух иммуноактивирующих молекул были как минимум в 100 раз ниже у мышей, получавших наноустройства с покрытием, по сравнению с наноустройствами без покрытия.
В будущем замаскированные нанороботы смогут активировать иммунную систему для борьбы с раком или подавлять иммунную систему, чтобы помочь трансплантированной ткани сформироваться.
«Активация иммунного ответа может быть полезной с клинической точки зрения, или ее следует избегать», – сказал Перро. "Главное то, что мы можем это контролировать."
«Пациенты с раком и другими заболеваниями получат огромную пользу от точных инструментов молекулярного масштаба для одновременной диагностики и лечения пораженных тканей, и сохранение наночастиц ДНК в организме – огромный шаг в этом направлении», – сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер (Don Ingber). M.D., Ph.D.
Эта работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения США.S. Научно-исследовательский центр армии Лаборатории армейских исследований и Институт Висса при Гарвардском университете.
Видео: http: // vimeo.com / 91950046