Нанороботи з ДНК-орігамі відшукають пухлину і перекриють їй кисень

Китайські вчені розробили нанороботів на основі технології ДНК-орігамі, які здатні доставляти ліки до пухлинних клітин ссавців і викликати там утворення тромбів. Експерименти показали, що через нестачу кисню та поживних речовин пухлини суттєво знижують темпи розвитку, а в деяких випадках і зовсім зникають. Робота опублікована в.

Нанороботи - невидимі оком інструменти, здатні приходити до чітко заданої мети, наприклад - до окремих клітин, і виконувати якусь закладену в їх структуру завдання. Вони включаються за допомогою спеціальних молекулярних «тригерів», тому їх роботу можна ефективно контролювати і запускати в потрібний момент.

Інструменти на основі ДНК мають масу корисних властивостей, оскільки тонкий дизайн їх структури дозволяє домогтися майже будь-якої заданої архітектури і точності механізму їх дії. Так звані «ДНК-орігамі» можуть, наприклад, рухатися заданим способом - в тому числі, розкриватися і закриватися залежно від впливу на них певних молекул або навіть світла (про приклад такої структури - керованими світлом нано-ножицями - ми детально розповідали тут). За допомогою ДНК навіть роблять щось на зразок протипа комп'ютерних мікрочіпів. Наночастинки на основі ДНК для доставки речовин до клітин вже успішно застосовувалися в культурах клітин, а також в організмах комах і хробаків. У цих випадках ДНК-структура сконструйована у вигляді контейнера, і вона може контрольовано випускати свій вміст. Однак досі подібних інструментів для доставки ліків в клітини ссавців розроблено не було.

У новій роботі вчені створили нанороботів для доставки ліків до ракових пухлин. ДНК-аптамер (синтетичний полинуклеотид) такого наноробота вміє зв'язуватися з нуклеоліном, - білком, який виробляється зовні ендотеліальних пухлинних клітин - і змінювати свою структуру після цього. Всередині аптамера розташовується тромбін, білок згортання крові. Розміри вихідного ДНК-листа, з якого складається «орігамі» аптамера, складають 90 нанометрів 60 нанометрів 2 нанометра, а отриманий наноробот - трубка діаметром 19 нанометрів і довжиною 90 нанометрів, всередині якої і розташовується хімічно пов'язаний з нею тромбін.

Коли відбувається зв'язування ДНК з нуклеоліном, це служить тригером механічного розпаковування аптамера («орігамі розкривається»), в результаті чого тромбін починає згортання крові поблизу пухлинної клітини. Внаслідок тромбу пухлинні клітини втрачають доступ до кисню і поживних речовин, що призводить до некрозу пухлинної тканини і зниження темпів її зростання.

Спочатку вчені переконалися, що ДНК успішно зв'язується з нуклеоліном, а тромбін успішно викликає згортання крові. Потім робота нанороботів була успішно протестована на лабораторних мишах і карликових свинях. В одному з експериментів різні групи мишей зазнавали лікування препаратами з нанороботами, а для контролю - препаратами з вільним тромбіном, сольовим розчином, порожніми нанороботами (без тромбіну), а також наночастинками з іншою структурою ДНК, що не зв'язується з нуклеоліном, або зі структурою, яка вміє з ним зв'язуватися, але не вміє розкриватися після зв'язування. Попередньо цим мишам були введені клітини людського раку грудей (MDA-MB-231).

Виявилося, що зростання пухлин у мишей з введеним справжнім препаратам був значно уповільнений порівняно з усіма контрольними групами. Середній час виживання у контрольних груп склав 29 днів, а у групи, підданої лікуванню - 39 днів.

Інший експеримент провели з мишами з меланомою. У цьому випадку у 3 з 8 мишей, яким давали препарат з нанороботами, настала повна регресія пухлин. У решти виживаність збільшилася з 20,5 днів до 45 днів. Швидше за все, це пов'язано з підвищеною васкуляризацією (насиченості судинами) меланомових пухлин. Препарат також значно знижував середнє число метастазів у печінці.

Експерименти з іншими типами пухлин, зокрема, з пухлинами яєчників, які є менш васкуляризованими, не давали настільки сильної переваги у зниженні розвитку захворювання, проте також значимо збільшили виживаність тварин і гальмували зростання їх пухлин.

Окремо вчені переконалися в тому, що доставка тромбіну в складі нанороботів не впливає на кількість мікротромбів у кров'яних судинах мозку (що могло б бути серйозною перешкодою для використання такого препарату). У той час як вільний тромбін підвищував цей рівень, використання нанороботів не призводило до цього ефекту, оскільки тромбін випускався тільки в потрібному місці, при контакті з пухлинними клітинами.

Експеримент з карликовими свинями був особливо цікавий, оскільки організм свині зі своєї фізіології та анатомії багато в чому нагадує людський організм. З'ясувалося, що введення препарату не викликало формування тромбів в основних тканинах свиней, і, тому, виявилося безпечним.

Вчені сподіваються, що дана розробка може стати основою для цілого покоління нових інструментів для доставки ліків ссавцям.

А ще ви можете прочитати про те, як люди буквально силою думки (а саме, вирішенням математичних завдань) включали зовнішнє магнітне поле і змушували ліки випускатися з нано-контейнерів у крові тарганів.