Китайские нанороботы способны находить опухоль и перекрывать ей кислород

Китайские ученые разработали нанороботов на основе технологии ДНК-оригами, которые способны доставлять лекарство к опухолевым клеткам млекопитающих и вызывать там образование тромбов.

Эксперименты показали, что из-за недостатка кислорода и питательных веществ опухоли существенно снижают темпы развития, а в некоторых случаях и вовсе исчезают. Работа опубликована в Nature Biotechnology.

Нанороботы — невидимые глазом инструменты, способные приходить к четко заданной цели, например — к отдельным клеткам, и выполнять некую заложенную в их структуру задачу. Они включаются с помощью специальных молекулярных «триггеров», поэтому их работу можно эффективно контролировать и запускать в нужный момент.

Инструменты на основе ДНК обладают массой полезных свойств, поскольку тонкий дизайн их структуры позволяет добиться почти любой заданной архитектуры и точности механизма их действия. Так называемые «ДНК-оригами» могут, например, двигаться заданным способом — в том числе, раскрываться и закрываться в зависимости от воздействия на них определенных молекул или даже света (о примере такой структуры — управляемыми светом нано-ножницами — мы подробно рассказывали здесь). С помощью ДНК даже делают нечто вроде протипа компьютерных микрочипов. Наночастицы на основе ДНК для доставки веществ к клеткам уже успешно применялись в культурах клеток, а также в организмах насекомых и червей. В этих случаях ДНК-структура сконструирована в виде контейнера, и она может контролируемо выпускать свое содержимое. Однако до сих пор подобных инструментов для доставки лекарств in vivo в клетки млекопитающих разработано не было.

В новой работе ученые создали нанороботов для доставки лекарств к раковым опухолям. ДНК-аптамер (синтетический полинуклеотид) такого наноробота умеет связываться с нуклеолином, — белком, который вырабатывается снаружи эндотелиальных опухолевых клеткок — и менять свою структуру после этого. Внутри аптамера располагается тромбин, белок свертывания крови. Размеры исходного ДНК-листа, из которого складывается «оригами» аптамера, составляют 90 нанометров ? 60 нанометров ? 2 нанометра, а получившийся наноробот — трубка диаметром 19 нанометров и длиной 90 нанометров, внутри которой и располагается химически связанный с ней тромбин.

Когда происходит связывание ДНК с нуклеолином, это служит триггером механического распаковывания аптамера («оригами раскрывается»), в результате чего тромбин начинает свертывание крови вблизи опухолевой клетки. Вследствие образовавшегося тромба опухолевые клетки теряют доступ к кислороду и питательным веществам, что приводит к некрозу опухолевой ткани и снижению темпов ее роста.

Сначала ученые убедились, что ДНК успешно связывается с нуклеолином, а тромбин успешно вызывает свертывание крови in vitro. Затем работа нанороботов была успешно протестирована на лабораторных мышах и карликовых свиньях. В одном из экспериментов разные группы мышей подвергались лечению препаратами с нанороботами, а для контроля — препаратами со свободным тромбином, солевым раствором, пустыми нанороботами (без тромбина), а также наночастицами с иной структурой ДНК, не связывающейся с нуклеолином, или со структурой, которая умеет с ним связываться, но не умеет раскрываться после связывания. Предварительно этим мышам были введены клетки человеческого рака груди (MDA-MB-231).

Оказалось, что рост опухолей у мышей с введенным настоящим препаратам был значительно замедлен по сравнению со всеми контрольными группами. Среднее время выживаемости у контрольных групп составило 29 дней, а у группы, подвергнутой лечению — 39 дней.

Другой эксперимент провели с мышами с меланомой. В этом случае у 3 из 8 мышей, которым давали препарат с нанороботами, наступила полная регрессия опухолей. У остальных выживаемость увеличилась с 20,5 дней до 45 дней. Скорее всего, это связано с повышенной васкуляризацией (насыщенности сосудами) меланомовых опухолей. Препарат также значительно снижал среднее число метастазов в печени.

Эксперименты с другими типами опухолей, в частности, с опухолями яичников, которые являются менее васкуляризованными, не давали настолько сильного преимущества в снижении развития заболевания, однако также значимо увеличили выживаемость животных и тормозили рост их опухолей.

Отдельно ученые убедились в том, что доставка тромбина в составе нанороботов не влияет на количество микротромбов в кровяных сосудах мозга (что могло бы быть серьезным препятствием для использования подобного препарата). В то время как свободный тромбин повышал этот уровень, использование нанороботов не приводило к этому эффекту, поскольку тромбин выпускался только в нужном месте, при контакте с опухолевыми клетками.

Эксперимент с карликовыми свиньями был особенно интересен, поскольку организм свиньи по своей физиологии и анатомии во многом напоминает человеческий организм. Выяснилось, что введение препарата не вызывало формирования тромбов в основных тканях свиней, и, поэтому, оказалось безопасным.

Ученые надеются, что данная разработка может стать основой для целого поколения новых инструментов для доставки лекарств млекопитающим in vivo.

Источник: N+1