I en nylig undersøgelse har forskere for første gang udviklet et fuldt autonomt nanorobotsystem til specifikt målrettet mod kræft
I et stort fremskridt inden for nanomedicin, feltet, der kombinerer nanoteknologi med medicin, har forskere udviklet nye veje til terapeutisk behandling ved hjælp af meget små nanopartikler af molekylestørrelse (maskine eller robotter, der er tæt på den mikroskopiske skala af en nanometer 10-9m) til mål kræft, i denne bemærkelsesværdige undersøgelse offentliggjort i Nature Biotechnology.
DNA origami nanobot: den magiske transportør
DNA origami er en proces, hvor et DNA foldes i nanoskala-niveau og bruges til at bygge aktive strukturer på de mindste skalaer (origami som i kunsten at folde papir). DNA er et stort lager af information, og strukturer, der er bygget ud af det, kan således bruges som informationsbærere. I tråd med denne evne kan disse DNA-nanopartikler (eller 'DNA-nanorobotter' eller 'nanorobotter' eller blot 'nanobots') flytte og løfte last i de mindste skalaer til specifikke opgaver i den menneskelige krop og er således velegnede til mange nanorobot applikationer. Størrelsen af en sådan nanobot er 1000 gange mindre end en enkelt hårstrå. Dette felt af nanorobotik har været fuld af spænding i de sidste to årtier, og mange eksperter har fokuseret på at udvikle sådanne strukturer i nanoskala baseret på DNA, som kan folde sig selv i alle mulige former og størrelser for at revolutionere medicin, især terapi og lægemiddellevering.
Nanorobot-teknologi bliver nu meget brugt og har allerede revolutioneret områder som medicinsk billedbehandling, enheder, sensorer, energisystemer og også medicin. Inden for medicin har nanobot betydelige fordele, primært fordi de ikke genererer nogen skadelige aktiviteter, har ingen mulige bivirkninger og er meget specifikke på hvilket sted i kroppen de vil målrette og operere på. De oprindelige omkostninger til udvikling af nanorobotter er måske høje, men fremstillingen, når den udføres ved den konventionelle metode til batchbehandling, reducerer omkostningerne i høj grad. Ydermere gør nanorobotternes minimale størrelse dem ideelle til at målrette mod bakterier og vira. Desuden kan en lillebitte nanorobot injiceres meget let i kroppen, og den flyder let gennem blodet (kredsløbssystemet) og hjælper med at opdage problemerne og behandle dem. Nanobots har fået stor betydning i kræftforskningen, da de kan være et smertefrit alternativ til kemoterapi, som ellers er meget stressende og lægger en stor personlig og økonomisk byrde på patienten. Kemoterapi er ikke kun en barsk måde at behandle kræft på, men bortset fra at angribe kræftcellerne, efterlader proceduren adskillige bivirkninger i hele kroppen. Alligevel har videnskaben ikke været i stand til at opdage noget nyt alternativ til kemoterapi til behandling af denne livstruende sygdom kaldet kræft. Nanobots har potentialet til at ændre dette scenarie i de kommende år ved at være et mere effektivt, smartere og målrettet alternativ, der angriber kræft.
Målrettet mod kræft
I denne nylige undersøgelse er et samarbejde mellem Arizona State University, USA, og National Center for Nano videnskab og teknologi fra det kinesiske videnskabsakademi, Beijing, har forskere med succes designet, bygget og omhyggeligt kontrollerede automatiserede nanobots til aktivt at søge og præcist ødelægge kræftsvulster inde i kroppen – uden at skade nogen af de sunde celler. De overvandt adskillige udfordringer, som har plaget nano-forskere i over to årtier, ved at designe og bruge en meget enkel og ligetil strategi til at søge og ødelægge tumoren. Strategien var specifikt at afskære blodforsyningen i en tumorcelle ved at inducere blodkoagulering i tumorcellen ved hjælp af DNA-baserede nanobots. Så de tænkte på noget tilsyneladende simpelt - vedhæft et nøgle-blodkoagulerende enzym (kaldet Thrombin) til overfladen af den flade, nanoskalerede DNA-origami nanobot. I gennemsnit fire molekyler af thrombin blev knyttet til den flade overflade af DNA origami-ark i størrelsen 90nm gange 60nm. Dette flade ark blev foldet som et ark papir, hvilket fik nanobotterne til at forme sig i form af et hult rør. Disse nanobots blev injiceret i en mus (som var blevet induceret med aggressiv tumorvækst), de rejste gennem blodbanen og nåede og bindede sig til dets mål - tumorerne. Efterfølgende bliver nanobotens last - enzym Thrombin - leveret og blokerer derved tumorens blodgennemstrømning, hvilket fører til til koagulering af blod i de kar, som nærer tumorvækst, hvilket genererer ødelæggelse af tumorvævet eller celledød. Hele denne proces sker interessant nok meget hurtigt, og nanobotterne omgiver tumoren inden for få timer efter injektionen. Tegn på fremskreden trombose i alle tumorceller blev observeret efter 36 timers injektion.
Derudover sørgede forfatterne også for at inkludere en speciel nyttelast på overfladen af nanobot (kaldet en DNA aptamer), som specifikt ville målrette mod et protein, kaldet nucleolin, som kun laves i store mængder på overfladen af tumorceller og dermed reducerer chancerne for, at nanobots nogensinde angriber de raske celler til nul. Disse nanobots reducerede og dræbte ikke kun tumorcellerne, men forhindrede også metastaser - sekundær kræftvækst på et fjerntliggende sted.
Sikkerhed og effektivitet
Forfatterne understreger, at nanobots er sikre og immunologisk inerte til brug i mus og endda grise, og brugen af nanobots viste ingen ændringer i normal blodkoagulation andre steder eller cellestruktur eller nogen breechinto i hjernen. Således er de blevet udpeget som sikre og effektive til at målrette og skrumpe tumorer uden nogen mulige uønskede bivirkninger. De fleste af nanobotterne sås også at være nedbrydende og fjerne fra kroppen efter 24 timer. Selvom nanobotterne kunne designes i en 'replikerende nanobots'-model, hvilket er forståeligt at holde omkostningerne nede, da der laves nogle få kopier og andre nanobots er selvgenererede, er det klart, at en sådan tilgang kun bør anvendes under særlige omstændigheder . For så vidt angår medicinområdet, skal der også være en idiotsikker dræb-switch på plads for at holde eventuelle ekstreme omstændigheder på afstand. Juridiske myndigheder skal udarbejde regler for at undgå misbrug af nanobots i medicin, for eksempel bevæbnede nanobots. Når alle faktorerne vægtes ind, bringer effektiviteten af nanobots os til et punkt, hvor de ikke kan overses, og at se på deres potentielle nanobots vil være en væsentlig komponent i medicin i fremtiden.
En lignende tilgang kunne bruges på mennesker, da forfatterne har vist, at dette system også blev testet på en primær muse-lungekræftmodel - som efterligner det humane kliniske lungeforløb. kræft patienter- og viste regression af tumor efter en to-ugers behandling. Disse undersøgelser blev også udført på mus, og inden for to uger blev der set en lignende påviselig effekt på brystkræft, melanom, ovarie- og lungekræft hos dyrene. Undersøgelsen skal dog udføres på mennesker for at bekræfte plausibiliteten af lignende resultater, og robuste kliniske forsøg skal udføres for at opnå det samme.
En meget smart og målrettet måde at angribe kræft på
En af de største udfordringer ved kræftbehandling er omhyggeligt og korrekt at skelne mellem kræfttumorcellerne og de normale, sunde kropsceller. Den konventionelle tilgang til at undgå og dræbe tumorceller - kemoterapi og strålebehandling - formår ikke at målrette tumorcellerne selektivt uden at interagere med de normale kropsceller. Kemoterapi og også strålebehandling har således en tendens til at forårsage alvorlige bivirkninger, både mindre og større, herunder organskader, som resulterer i en meget svækket behandling af kræft og dermed lave overlevelsesrater blandt patienter. Nanobots som dem, der er beskrevet i denne undersøgelse, er de første af sin slags i pattedyr, der er meget stærke og effektive til at identificere tumorceller og mindske deres vækst og spredning. Dette DNA-robotsystem kan bruges til præcis og målrettet kræftbehandling for mange typer kræft, da alle blodkar, der føder solide tumorer, stort set er ens.
Denne forskning har banet vejen for fremtiden til at begynde at tænke og planlægge praktiske medicinske løsninger ved hjælp af teknologiske fremskridt. Kræftforskningens ultimative mål er en vellykket udryddelse af solide tumorer uden alvorlige bivirkninger og reduceret metastasering. Når vi ser på denne undersøgelse, ser vi et enormt håb for fremtiden, hvor denne nuværende strategi kunne være ideel til at nå det ultimative mål om at tackle kræft. Og ikke kun kræft, denne strategi kunne også udvikles som en platform til levering af lægemidler til behandling af mange andre sygdomme, fordi tilgangen blot ville være at ændre strukturen af nanobots og ændre lastet last. Nanobots kan også hjælpe os til yderligere at forstå kompleksiteten af den menneskelige krop og hjerne. Dette vil også hjælpe med at udføre smertefrie og ikke-invasive operationer, selv de mest komplicerede. Hypotetisk på dette tidspunkt kunne nanobotter på grund af deres størrelse også surfe gennem hjernecellerne og generere al den relaterede information, der kræves til yderligere forskning. I fremtiden, lad os sige to årtier fra nu, vil en enkelt injektion af en nanobot muligvis kunne helbrede sygdomme fuldstændigt.
***
Kilde (r)
Li S et al 2018. En DNA-nanorobot fungerer som et kræftlægemiddel som reaktion på en molekylær trigger in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
***
