Virale DNA-Roboter wurden so programmiert, dass sie menschliche Blutgefäße blockieren und Krebstumoren abtöten.

Verstopfung eines Blutgefäßes und Nekrose von Krebsgewebe innerhalb von 72 Stunden nach Einführung von DNA-Robotern in das Kreislaufsystem der Maus

DNA-Moleküle haben sich als hervorragende Grundlage für das Design und den Aufbau mechanischer molekularer Geräte erwiesen, die auf externe Signale reagieren können - und abhängig davon bestimmte Aktionen ausführen können. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler erfolgreiche Experimente mit DNA-Robotern als Vehikel und Sonden für die Bildgebung durchgeführt. Die Experimente wurden in einem Kulturmedium aus gewachsenen Zellen an Insekten und Nematoden Caenorhabditis elegans durchgeführt . Bisher wurden jedoch keine Experimente mit gezielter Arzneimittelabgabe an Säugetieren durchgeführt.

Gleichzeitig ist von 2003 bis 2005 bekannt, dass eine erfolgreiche Strategie zur Krebsbehandlung darin besteht, die Blutgefäße des Tumors selektiv zu blockieren, um ihm Nährstoffe und Sauerstoff zu entziehen - und die Lawine des Todes von Tumorzellen auszulösen. DNA-Roboter sind ideal für diese Aufgabe. Darüber hinaus funktioniert diese Standardstrategie für viele Krebsarten, da die Blutgefäße, die die Krebszellen eines soliden Tumors versorgen, im Wesentlichen gleich sind.

Ein Team chinesischer Wissenschaftler führte zunächst ein solches Experiment an Säugetieren (Mäusen) durch. Sie konstruierten Roboter nach der DNA-Origami-Methode und beluden sie mit Thrombinmolekülen. Dies ist eine Serinprotease, die wichtigste Komponente des Gerinnungssystems von Mensch und Tier. Thrombin reguliert die Blutplättchenaggregation, indem es Blutplättchen aktiviert und zirkulierendes Fibrinogen in Fibrin umwandelt, wodurch das Blutgefäß schnell blockiert wird (Thrombose).


Design und Beschreibung eines Nanoroboters mit Thrombin. Origami-DNA reagiert auf Nucleolin und entfaltet sich zu einer rechteckigen Schicht. Es wird mit Thrombinmolekülen gefüllt, in ein Röhrchen gerollt und im geschlossenen Zustand durch die Blutgefäße freigesetzt. An der Blockierungsstelle angekommen, reagiert der Roboter auf Nucleolin, öffnet und setzt Thrombinmoleküle frei (helle Flecken auf dem Foto unten, aufgenommen mit einem Raster-Rasterkraftmikroskop, die Skalenmarkierung entspricht 100 nm).

Für die effektive Anwendung dieses Verfahrens ist die genaue Abgabe von Thrombin an den gewünschten Ort und die Okklusion eines bestimmten Gefäßes entscheidend, um mögliche Schäden für andere Gefäße zu minimieren, bei denen keine Okklusion erforderlich ist. Dies war mit herkömmlichen Methoden nicht möglich, so dass reines Thrombin bisher nicht zur Behandlung von Krebs eingesetzt wurde. Chinesischen Ärzten gelang es, das Problem mit Hilfe von DNA-Robotern erfolgreich zu lösen. Diese Roboter schützen Thrombin und setzen es erst frei, wenn sie auf ihre Weise einen charakteristischen Marker für einen krebsartigen Tumor treffen - Nucleolin. Wenn sich Roboter mit ihm treffen, öffnen sie sich sofort und lösen eine „Heilung“ aus.

Mit der DNA-Origami-Methode können Sie ein rationales Design und eine rationelle Herstellung von Nanostrukturen mit der gewünschten Größe, Form und Funktionalität erstellen. Wissenschaftler führten ein Experiment an einer lebenden Maus mit Krebs der menschlichen Brust durch - und bewiesen die Wirksamkeit solcher Roboter im realen Einsatz. Roboter blockierten erfolgreich ein bestimmtes Blutgefäß, das den Tumor füttert und andere Gefäße nicht berührte.

Um zu beweisen, dass Roboter auch größeren Säugetieren keinen Schaden zufügen, wurden zusätzliche Experimente an Zwerg-Hausschweinen (Mini-Schweinen) durchgeführt, die in Anatomie und Physiologie dem Menschen sehr ähnlich sind. Den Schweinen wurden DNA-Roboter mit einer therapeutischen Standarddosis der Maus (150 Einheiten pro Schwein) injiziert. Da die Schweine keinen Tumor hatten, zirkulierten die Roboter frei in den Gefäßen und arbeiteten nicht. Es wurden keine Anomalien im Kreislaufsystem und in den Blutgerinnungsparametern beobachtet. Einige Anomalien wurden mit steigenden Dosen auf 350 Einheiten festgestellt, erwiesen sich jedoch als vorübergehend und es trat keine Thrombose lebenswichtiger Organe auf.


Zwergschwein

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, ist der Nanoroboter eine selbstorganisierte Nanoröhre mit mehreren Funktionselementen. Es entfaltet sich zu einer rechteckigen Folie mit einer Größe von 90 × 60 × 2 Nanometern.

Der Roboter besteht aus der genomischen DNA des Bakteriophagen M13. Dies ist ein Virus, das Escherichia coli- Bakterien (E. coli) infiziert. Die DNA dieses Virus ist ein beliebtes Werkzeug zum Aufbau verschiedener Nanostrukturen. Zuvor wurden Experimente mit Sorten solcher Roboter durchgeführt, die eine Nutzlast verschiedener Proteine ​​tragen können. Sie werden beispielsweise zum Zusammenbau von Kobaltoxid-Nanodrähten in Batterien sowie zum Verpacken von Kohlenstoffnanoröhren in dichten Bündeln verwendet, die in der Photovoltaik verwendet werden .

Obwohl menschliche Experimente noch ausstehen, betrachten einige Experten die grundlegend neue Krebsbehandlungsmethode als echten Durchbruch. Die selektive Zerstörung von Krebstumoren sieht vielversprechender aus als die "barbarische" Chemotherapie, bei der alle Zellen hintereinander zerstört werden. Wenn das Arzneimittel selektiv nur auf Tumore wirkt und für einen gesunden Menschen harmlos ist, kann theoretisch jeder solche „Injektionen“ mit DNA-Robotern als Prophylaxe nehmen. Er hat eine Art Krebstumor - das Medikament wird sie töten, wenn es keinen Tumor gibt - nichts wird passieren.

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 12. Januar 2018 in der Zeitschrift Nature Biotechnology (doi: 10.1038 / nbt.4071, pdf ) veröffentlicht.