Σε μια πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές ανέπτυξαν για πρώτη φορά ένα πλήρως αυτόνομο νανορομποτικό σύστημα για τη συγκεκριμένη στόχευση του καρκίνου
Σε μια σημαντική πρόοδο στη νανοϊατρική, τον τομέα που συνδυάζει τη νανοτεχνολογία με την ιατρική, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει νέους τρόπους θεραπευτικής αγωγής χρησιμοποιώντας πολύ μικρά νανοσωματίδια μεγέθους μορίου (μηχανή ή ρομπότ που είναι κοντά στη μικροσκοπική κλίμακα ενός νανομέτρου 10-9m) στόχος Καρκίνος, σε αυτή την αξιοσημείωτη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: ο μαγικός μεταφορέας
DNA origami is a process in which a DNA is folded in a nanoscale level and is used to build active structures at the tiniest scales (origami as in the art of paper folding). DNA is a great storage of information and thus structures which are built out of it can be used as information carriers. In line with this capability, these DNA nanoparticles (or ‘DNA nanorobots’ or ‘nanorobots’ or simply ‘nanobots’) can move and lift cargo at the smallest scales for specific tasks in the human body and thus are suitable for many νανορομποτικό applications. The size of such a nanobot is 1000 times smaller than a single strand of human hair. This field of nanorobotics has been full of excitement for the past two decades and many experts have been focusing on developing such nanoscale structures based out on DNA which can fold themselves into all sorts of shapes and sizes to revolutionize medicine especially therapy and drug delivery.
Η τεχνολογία νανορομπότ χρησιμοποιείται πλέον ευρέως και έχει ήδη φέρει επανάσταση σε τομείς όπως η ιατρική απεικόνιση, οι συσκευές, οι αισθητήρες, τα ενεργειακά συστήματα και επίσης η ιατρική. Στην ιατρική, τα νανομποτ έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα κυρίως επειδή δεν προκαλούν επιβλαβείς δραστηριότητες, δεν έχουν πιθανές παρενέργειες και είναι πολύ συγκεκριμένο σε ποια θέση στο σώμα θα στοχεύσουν και θα χειρουργήσουν. Το αρχικό κόστος ανάπτυξης των νανορομπότ μπορεί να είναι υψηλό, αλλά η κατασκευή όταν γίνεται με τη συμβατική μέθοδο επεξεργασίας κατά παρτίδες μειώνει το κόστος σε μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, το μικρό μέγεθος των νανορομπότ τα καθιστά ιδανικά για τη στόχευση βακτηρίων και ιών. Επίσης, ένα μικροσκοπικό νανορομπότ μπορεί να εγχυθεί πολύ εύκολα στο σώμα και να επιπλέει εύκολα μέσω του αίματος (το κυκλοφορικό σύστημα) και βοηθά στον εντοπισμό των προβλημάτων και στην αντιμετώπισή τους. Τα νανορομπότ έχουν αποκτήσει μεγάλη σημασία στην έρευνα για τον καρκίνο, καθώς μπορούν να αποτελέσουν μια ανώδυνη εναλλακτική της χημειοθεραπείας, η οποία κατά τα άλλα είναι πολύ αγχωτική και επιβαρύνει τεράστιο προσωπικό και οικονομικό βάρος στον ασθενή. Η χημειοθεραπεία δεν είναι μόνο σκληρός τρόπος θεραπείας του καρκίνου, αλλά εκτός από την επίθεση στα καρκινικά κύτταρα, η διαδικασία αφήνει αρκετές παρενέργειες σε όλο το σώμα. Ωστόσο, η επιστήμη δεν μπόρεσε να ανακαλύψει καμία νέα εναλλακτική λύση στη χημειοθεραπεία για τη θεραπεία αυτής της απειλητικής για τη ζωή ασθένειας που ονομάζεται καρκίνος. Τα νανορομπότ έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν αυτό το σενάριο τα επόμενα χρόνια, αποτελώντας μια πιο αποτελεσματική, πιο έξυπνη και στοχευμένη εναλλακτική λύση που επιτίθεται στον καρκίνο.
Στοχεύοντας τον καρκίνο
Σε αυτή την πρόσφατη μελέτη, μια συνεργασία μεταξύ του Arizona State University, USA, και του National Center for Nano Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών του Πεκίνου, οι ερευνητές σχεδίασαν, κατασκεύασαν και ελέγχουν προσεκτικά αυτοματοποιημένα νανορομπότ για να αναζητούν ενεργά και να καταστρέφουν με ακρίβεια καρκινικούς όγκους μέσα στο σώμα – χωρίς να βλάπτουν κανένα από τα υγιή κύτταρα. Ξεπέρασαν πολλές προκλήσεις που ταλανίζουν τους νανοεπιστήμονες για πάνω από δύο δεκαετίες, σχεδιάζοντας και χρησιμοποιώντας μια πολύ απλή και απλή στρατηγική για την αναζήτηση και την καταστροφή του όγκου. Η στρατηγική ήταν να διακοπεί συγκεκριμένα η παροχή αίματος σε ένα κύτταρο όγκου προκαλώντας πήξη του αίματος στο κύτταρο όγκου χρησιμοποιώντας νανορομπότ που βασίζονται σε DNA. Έτσι, σκέφτηκαν κάτι φαινομενικά απλό – να συνδέσουν ένα βασικό ένζυμο πήξης του αίματος (που ονομάζεται Θρομπίνη) στην επιφάνεια του επίπεδου, νανο-κλιμακούμενου νανορομπότ origami DNA. Κατά μέσο όρο τέσσερα μόρια θρομβίνης προσαρτήθηκαν στην επίπεδη επιφάνεια του DNA φύλλο origami μεγέθους 90nm επί 60nm. Αυτό το επίπεδο φύλλο διπλώθηκε σαν φύλλο χαρτιού κάνοντας τα νανορομπότ να διαμορφώσουν το σχήμα ενός κοίλου σωλήνα. Αυτά τα νανορομπότ εγχύθηκαν σε ένα ποντίκι (το οποίο είχε προκληθεί με επιθετική ανάπτυξη όγκου), ταξίδεψαν σε όλη την κυκλοφορία του αίματος φτάνοντας και δεσμεύτηκαν στον στόχο του –τους όγκους. Στη συνέχεια, το φορτίο του νανορομπότ –το ένζυμο Thrombin– παραδίδεται εμποδίζοντας έτσι τη ροή αίματος του όγκου που οδηγεί στην πήξη του αίματος μέσα στα αγγεία που τροφοδοτούν την ανάπτυξη του όγκου, προκαλώντας την καταστροφή του ιστού του όγκου ή τον κυτταρικό θάνατο. Όλη αυτή η διαδικασία, είναι ενδιαφέρον ότι συμβαίνει πολύ γρήγορα και τα νανορομπότ περιβάλλουν τον όγκο μέσα σε λίγες ώρες από την ένεση. Ενδείξεις προχωρημένης θρόμβωσης, σε όλα τα κύτταρα όγκου παρατηρήθηκαν μετά από 36 ώρες ένεσης.
Επιπλέον, οι συγγραφείς φρόντισαν επίσης να συμπεριλάβουν ένα ειδικό ωφέλιμο φορτίο στην επιφάνεια του νανορομπότ (που ονομάζεται απταμερές DNA) το οποίο θα στόχευε ειδικά μια πρωτεΐνη, που ονομάζεται νουκλεολίνη, η οποία παράγεται σε υψηλές ποσότητες μόνο στην επιφάνεια των καρκινικών κυττάρων, μειώνοντας έτσι τις πιθανότητες να επιτεθούν ποτέ τα νανορομπότ στα υγιή κύτταρα στο μηδέν. Αυτά τα νανορομπότ όχι μόνο μείωσαν και σκότωσαν τα κύτταρα του όγκου, αλλά απέτρεψαν επίσης τη μετάσταση – δευτερογενή καρκινική ανάπτυξη σε μακρινό σημείο.
Ασφάλεια και αποτελεσματικότητα
Οι συγγραφείς τονίζουν ότι τα νανορομπότ είναι ασφαλή και ανοσολογικά αδρανή για χρήση σε ποντίκια και ακόμη και χοίρους και η χρήση νανορομπότ δεν έδειξε αλλαγές στην κανονική πήξη του αίματος αλλού ή στη δομή των κυττάρων ή σε οποιονδήποτε βραχίονα στον εγκέφαλο. Έτσι, έχουν χαρακτηριστεί ως ασφαλή και αποτελεσματικά για τη στόχευση και τη συρρίκνωση όγκων χωρίς πιθανές ανεπιθύμητες παρενέργειες. Τα περισσότερα από τα νανορομπότ φάνηκε επίσης να υποβαθμίζονται και να απομακρύνονται από το σώμα μετά από 24 ώρες. Παρόλο που τα νανορομπότ θα μπορούσαν να σχεδιαστούν σε ένα μοντέλο «αντιγραφόμενου νανορομπότ», το οποίο είναι κατανοητό για να μειώσει το κόστος καθώς παράγονται λίγα αντίγραφα και άλλα νανορομπότ παράγονται μόνοι τους, είναι σαφές ότι μια τέτοια προσέγγιση θα πρέπει να εφαρμόζεται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. . Σε ό,τι αφορά τον τομέα της ιατρικής, πρέπει επίσης να υπάρχει ένας αλάνθαστος διακόπτης kill-switch, ώστε να αποφεύγονται οι ακραίες συνθήκες. Οι νομικές αρχές πρέπει να επινοήσουν κανονισμούς για να αποφευχθεί η κατάχρηση των νανορομπότ στην ιατρική, για παράδειγμα τα οπλισμένα νανορομπότ. Όλοι οι παράγοντες, όταν σταθμίζονται, η αποτελεσματικότητα των νανορομπότ μας φέρνει σε ένα σημείο που δεν μπορούν να παραβλεφθούν και η εξέταση των πιθανών νανορομπότ τους θα είναι ουσιαστικό συστατικό της ιατρικής στο μέλλον.
Μια παρόμοια προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ανθρώπους, καθώς οι συγγραφείς έχουν δείξει ότι αυτό το σύστημα δοκιμάστηκε επίσης σε ένα μοντέλο πρωτοπαθούς καρκίνου του πνεύμονα ποντικιού – το οποίο μιμείται την ανθρώπινη κλινική πορεία του πνεύμονα Καρκίνος ασθενείς- και παρουσίασαν υποχώρηση του όγκου μετά από θεραπεία δύο εβδομάδων. Επίσης, αυτές οι μελέτες διεξήχθησαν σε ποντίκια και μέσα σε δύο εβδομάδες παρατηρήθηκε παρόμοια αποδεδειγμένη επίδραση στους καρκίνους του μαστού, του μελανώματος, των ωοθηκών και του καρκίνου του πνεύμονα στα ζώα. Η μελέτη, ωστόσο, πρέπει να γίνει σε ανθρώπους για να επιβεβαιωθεί η αληθοφάνεια παρόμοιων αποτελεσμάτων και πρέπει να διεξαχθούν ισχυρές κλινικές δοκιμές για να επιτευχθεί το ίδιο.
Ένας πολύ έξυπνος και στοχευμένος τρόπος επίθεσης στον καρκίνο
Μία από τις κύριες προκλήσεις της θεραπείας του καρκίνου είναι η προσεκτική και σωστή διαφοροποίηση μεταξύ των καρκινικών καρκινικών κυττάρων και των φυσιολογικών, υγιών κυττάρων του σώματος. Η συμβατική προσέγγιση για την αποφυγή και τη θανάτωση των καρκινικών κυττάρων – χημειοθεραπεία και ακτινοθεραπεία – αποτυγχάνει να στοχεύσει επιλεκτικά τα καρκινικά κύτταρα χωρίς να αλληλεπιδράσει με τα φυσιολογικά κύτταρα του σώματος. Έτσι, η χημειοθεραπεία και επίσης η ακτινοθεραπεία τείνουν να προκαλούν σοβαρές παρενέργειες, τόσο μικρές όσο και μείζονες, συμπεριλαμβανομένης της βλάβης οργάνων που έχει ως αποτέλεσμα μια πολύ εξασθενημένη θεραπεία του καρκίνου και επομένως χαμηλά ποσοστά επιβίωσης μεταξύ των ασθενών. Τα νανορομπότ όπως αυτά που περιγράφονται σε αυτή τη μελέτη είναι τα πρώτα στο είδος τους σε θηλαστικά που είναι πολύ ισχυρά και αποτελεσματικά στον εντοπισμό των καρκινικών κυττάρων και στη μείωση της ανάπτυξης και του πολλαπλασιασμού τους. Αυτό το ρομποτικό σύστημα DNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ακριβή και στοχευμένη θεραπεία καρκίνου για πολλούς τύπους καρκίνου, καθώς όλα τα αιμοφόρα αγγεία που τροφοδοτούν συμπαγείς όγκους είναι ουσιαστικά τα ίδια.
Αυτή η έρευνα άνοιξε το δρόμο για το μέλλον να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε και να σχεδιάζουμε πρακτικές ιατρικές λύσεις χρησιμοποιώντας τεχνολογικές προόδους. Ο απώτερος στόχος της έρευνας για τον καρκίνο είναι η επιτυχής εκρίζωση συμπαγών όγκων, χωρίς σοβαρές παρενέργειες και μειωμένη μετάσταση. Εξετάζοντας αυτή τη μελέτη, βλέπουμε τεράστια ελπίδα για το μέλλον όπου αυτή η τρέχουσα στρατηγική θα μπορούσε να είναι ιδανική για την επίτευξη του απώτερου στόχου για την αντιμετώπιση του καρκίνου. Και όχι μόνο ο καρκίνος, αυτή η στρατηγική θα μπορούσε επίσης να αναπτυχθεί ως πλατφόρμα παράδοσης φαρμάκων για τη θεραπεία πολλών άλλων ασθενειών, καθώς η προσέγγιση θα ήταν απλώς η τροποποίηση της δομής των νανορομπότ και η αλλαγή των φορτωμένων φορτίων. Επίσης, τα νανορομπότ μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε περαιτέρω την πολυπλοκότητα του ανθρώπινου σώματος και του εγκεφάλου. Αυτό θα βοηθήσει επίσης στην πραγματοποίηση ανώδυνων και μη επεμβατικών επεμβάσεων, ακόμη και των πιο περίπλοκων. Υποθετικά, σε αυτό το σημείο, λόγω του μεγέθους τους, τα νανορομπότ θα μπορούσαν επίσης να σερφάρουν στα εγκεφαλικά κύτταρα και να δημιουργήσουν όλες τις σχετικές πληροφορίες που απαιτούνται για περαιτέρω έρευνα. Στο μέλλον, ας πούμε σε δύο δεκαετίες από τώρα, μια και μόνο ένεση ενός νανορομπότ θα μπορούσε να θεραπεύσει πλήρως τις ασθένειες.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Li S et al 2018. Ένα νανορομπότ DNA λειτουργεί ως θεραπευτικό καρκίνου ως απόκριση σε μοριακό έναυσμα in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
