U nedavnoj studiji, istraživači su po prvi put razvili potpuno autonomni nanorobotski sustav za specifično ciljanje raka
U velikom napretku u nanomedicini, polju koje kombinira nanotehnologiju s medicinom, istraživači su razvili nove puteve terapijskog liječenja koristeći vrlo male nanočestice veličine molekule (stroj ili robote koji su blizu mikroskopske skale nanometra 10-9 m) do cilj Raka, u ovoj izvanrednoj studiji objavljenoj u Nature Biotechnology.
DNK origami nanobot: čarobni transporter
DNA origami je proces u kojem se DNK savija na razini nanoskala i koristi se za izgradnju aktivnih struktura na najsitnijim razmjerima (origami kao u umjetnosti savijanja papira). DNK je velika pohrana informacija pa se strukture koje su od nje izgrađene mogu koristiti kao nositelji informacija. U skladu s ovom sposobnošću, ove nanočestice DNK (ili 'DNK nanoroboti' ili 'nanoroboti' ili jednostavno 'nanoboti') mogu pomicati i podizati teret na najmanjim razmjerima za specifične zadatke u ljudskom tijelu i stoga su prikladne za mnoge nanorobotski aplikacije. Veličina takvog nanobota je 1000 puta manja od jednog pramena ljudske kose. Ovo područje nanorobotike bilo je puno uzbuđenja u posljednja dva desetljeća i mnogi su se stručnjaci usredotočili na razvoj takvih struktura nanorazmjera temeljenih na DNK koje se mogu savijati u razne oblike i veličine kako bi revolucionirale medicinu, posebice terapiju i isporuku lijekova.
Tehnologija nanorobota sada se široko koristi i već je revolucionirala polja kao što su medicinsko snimanje, uređaji, senzori, energetski sustavi, a također i medicina. U medicini, nanoboti imaju značajne prednosti uglavnom zato što ne stvaraju nikakve štetne aktivnosti, nemaju mogućih nuspojava i vrlo su specifični na koje će mjesto u tijelu ciljati i djelovati. Početni trošak razvoja nanorobota možda je visok, ali proizvodnja kada se radi konvencionalnom metodom skupne obrade u velikoj mjeri smanjuje troškove. Nadalje, minijaturna veličina nanorobota čini ih idealnim za ciljanje bakterija i virusa. Također, maleni nanorobot se može vrlo lako ubrizgati u tijelo i lako pluta kroz krv (cirkulacijski sustav) i pomaže u otkrivanju problema i njihovom liječenju. Nanoboti su dobili veliko značenje u istraživanju raka jer mogu biti bezbolna alternativa kemoterapiji koja je inače vrlo stresna i stavlja ogroman osobni i financijski teret na pacijenta. Kemoterapija nije samo oštar način liječenja raka, već osim napada na stanice raka, postupak ostavlja nekoliko nuspojava u cijelom tijelu. Ipak, znanost nije uspjela otkriti nikakvu novu alternativu kemoterapiji za liječenje ove po život opasne bolesti zvane rak. Nanoboti imaju potencijal promijeniti ovaj scenarij u nadolazećim godinama tako što će biti učinkovitija, pametnija i ciljana alternativa za napad na rak.
Ciljanje na rak
U ovoj nedavnoj studiji, suradnja između Sveučilišta Arizona State, SAD, i Nacionalnog centra za Nano znanost i tehnologiju Kineske akademije znanosti u Pekingu, istraživači su uspješno dizajnirali, izgradili i pažljivo kontrolirali automatizirane nanobote kako bi aktivno tražili i precizno uništavali kancerogene tumore unutar tijela – a da pritom ne štete nijednoj od zdravih stanica. Prevladali su nekoliko izazova koji muče nano znanstvenike više od dva desetljeća, osmislivši i koristeći vrlo jednostavnu i jasnu strategiju traženja i uništavanja tumora. Strategija je bila specifično prekinuti opskrbu krvlju u tumorskoj stanici induciranjem zgrušavanja krvi u tumorsku stanicu pomoću nanobota temeljenih na DNK. Dakle, smislili su nešto naizgled jednostavno – pričvrstiti ključni enzim za zgrušavanje krvi (nazvan trombin) na površinu ravnog DNK origami nanobota u nanoskali. Prosječno četiri molekule trombina bile su pričvršćene na ravnu površinu DNA origami list veličine 90nm x 60nm. Ovaj ravni list bio je presavijen poput lista papira čime su se nanoboti oblikovali u oblik šuplje cijevi. Ovi nanoboti su ubrizgani u miša (koji je bio izazvan agresivnim rastom tumora), putovali su kroz krvotok dosežući i vežući se za svoju metu – tumore. Nakon toga, teret nanobota – enzim trombin – biva isporučen i na taj način blokira tumorski protok krvi. do zgrušavanja krvi unutar žila koje hrane rast tumora, uzrokujući uništenje tumorskog tkiva ili smrt stanica. Zanimljivo je da se cijeli ovaj proces događa vrlo brzo i nanobotovi okružuju tumor u roku od nekoliko sati od injekcije. Dokaz uznapredovale tromboze u svim tumorskim stanicama uočen je nakon 36 sati od injekcije.
Nadalje, autori su se pobrinuli i za uključivanje posebnog tereta na površinu nanobota (nazvanog DNA aptamer) koji bi specifično ciljao protein, nazvan nukleolin, koji se stvara u velikim količinama samo na površini tumorskih stanica, čime bi se smanjio šanse da nanoboti ikada napadnu zdrave stanice su nula. Ovi nanobotovi ne samo da su smanjili i ubili tumorske stanice nego su i spriječili metastaze – sekundarni rast raka na udaljenom mjestu.
Sigurnost i učinkovitost
Autori naglašavaju da su nanobotovi sigurni i imunološki inertni za upotrebu kod miševa, pa čak i svinja, a korištenje nanobota nije pokazalo promjene u normalnoj koagulaciji krvi na drugim mjestima ili strukturi stanica ili bilo kakvom breehintu mozga. Stoga su označeni kao sigurni i učinkoviti za ciljanje i smanjenje tumora bez ikakvih mogućih neželjenih nuspojava. Također je vidljivo da se većina nanobota degradira i čisti iz tijela nakon 24 sata. Iako bi nanoboti mogli biti dizajnirani u modelu 'replicirajućih nanobota', što je razumljivo kako bi se smanjili troškovi jer se napravi nekoliko kopija i drugi nanoboti se sami generiraju, jasno je da bi se takav pristup trebao primjenjivati samo u posebnim okolnostima . Što se tiče područja medicine, također mora postojati siguran prekidač za zaustavljanje kako bi se spriječile sve ekstremne okolnosti. Pravna tijela moraju izraditi propise kako bi se izbjegla bilo kakva zlouporaba nanobota u medicini, na primjer naoružanih nanobota. Kada se uzmu u obzir svi čimbenici, učinkovitost nanobota dovodi nas do točke da se oni ne mogu zanemariti i da će promatranje njihovih potencijalnih nanobota biti bitna komponenta medicine u budućnosti.
Sličan pristup mogao bi se koristiti i na ljudima jer su autori pokazali da je ovaj sustav također testiran na primarnom mišjem modelu raka pluća – koji oponaša klinički tijek pluća kod ljudi. Raka bolesnika- i pokazao regresiju tumora nakon dvotjednog liječenja. Također, ove studije su provedene na miševima, a u roku od dva tjedna kod životinja je uočen sličan dokazivi učinak na rak dojke, melanom, rak jajnika i pluća. Studiju je, međutim, potrebno provesti na ljudima kako bi se potvrdila vjerodostojnost sličnih rezultata, a za postizanje istih potrebno je provesti robusna klinička ispitivanja.
Vrlo pametan i ciljan način za napad na rak
Jedan od glavnih izazova terapije raka je pažljivo i ispravno razlikovati stanice tumora raka od normalnih, zdravih tjelesnih stanica. Konvencionalni pristup izbjegavanju i ubijanju tumorskih stanica – kemoterapija i terapija zračenjem – ne uspijeva selektivno ciljati tumorske stanice bez interakcije s normalnim tjelesnim stanicama. Stoga, kemoterapija i također terapija zračenjem imaju tendenciju da uzrokuju ozbiljne nuspojave, manje i veće, uključujući oštećenje organa što rezultira vrlo narušenim liječenjem raka i time niskim stopama preživljavanja među pacijentima. Nanobotovi poput onih opisanih u ovoj studiji prvi su takve vrste kod sisavaca koji su vrlo jaki i učinkoviti u identificiranju tumorskih stanica i smanjenju njihovog rasta i proliferacije. Ovaj DNK robotski sustav može se koristiti za preciznu i ciljanu terapiju raka za mnoge vrste raka, budući da su sve krvne žile koje hrane čvrsti tumor u biti iste.
Ovo istraživanje utrlo je put za budućnost da počnemo razmišljati i planirati praktična medicinska rješenja koristeći tehnološki napredak. Konačni cilj istraživanja raka je uspješno iskorjenjivanje solidnih tumora, bez ozbiljnih nuspojava i smanjenih metastaza. Gledajući ovu studiju, vidimo ogromnu nadu za budućnost u kojoj bi ova trenutna strategija mogla biti idealna za postizanje konačnog cilja borbe protiv raka. I ne samo rak, ova strategija bi se također mogla razviti kao platforma za isporuku lijekova za liječenje mnogih drugih bolesti jer bi pristup bio jednostavno modificiranje strukture nanobota i izmjena utovarenog tereta. Također, nanoboti nam mogu pomoći u daljnjem razumijevanju složenosti ljudskog tijela i mozga. To će također pomoći u izvođenju bezbolnih i neinvazivnih operacija, čak i onih najkompliciranijih. Hipotetički u ovom trenutku, nanoboti bi zbog svoje veličine također mogli surfati moždanim stanicama i generirati sve povezane informacije potrebne za daljnja istraživanja. U budućnosti, recimo za dva desetljeća od sada, jedna injekcija nanobota mogla bi u potpunosti izliječiti bolesti.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Li S et al 2018. DNK nanorobot funkcionira kao lijek protiv raka kao odgovor na molekularni okidač in vivo. Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
