A túlérzékeny nanoanyagok ígéretet tesznek a DNS-elemzésre és a következő generációs gyógyszerekre

1900-ban Paul Ehrlich német orvos előállt egy "varázslövedék" fogalmával. Az alapötlet az, hogy a betegeket intelligens részecskékkel injektálják, amelyek képesek megtalálni, felismerni és kezelni a betegségeket. Az orvostudomány azóta is üldözi a varázslövedéket.

ígéretet

A moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet és a Prohorov Általános Fizikai Intézet (RAS) orosz kutatói előrelépést tettek e cél felé. A csapat a MIPT Maxim Nikitin vezetésével publikált egy cikket az ACS Nano-ban (impakt faktor: 13.903), amely egyedi tulajdonságokkal rendelkező intelligens anyagot mutat be, amely ígéretet tesz expressz DNS-elemzésre, valamint a rák és más súlyos betegségek elleni következő generációs gyógyszerekre.

A gyógyszerek eljuttatása a betegség által érintett sejtekhez a diagnosztika és a terápia egyik fő szűk keresztmetszete. A gyógyszereknek ideális esetben csak a kórokozó sejteket kell elérniük, anélkül, hogy kárt okoznának az egészségesekben. Számos olyan marker vegyület létezik, amelyek eladják a rákos sejteket. Ezek az árulkodó molekulák, amelyek az érintett sejtek felszínén vagy mikrokörnyezetükben találhatók, tartalmaznak salakanyagokat és azokat, amelyeket jelként más sejtekbe küldenek.

A modern gyógyszerek egy ilyen markerre támaszkodnak a beteg sejtek azonosításához. Azonban általában az az eset, amikor az egészséges sejtek ugyanazokat a markereket hordozzák, bár kisebb mennyiségben. Ez azt jelenti, hogy a meglévő célzott gyógyszeradagoló rendszerek nem tökéletesek. A gyógyszeradagolás pontosabbá tételéhez olyan intelligens anyagokra van szükség, amelyek képesek egyszerre több környezeti paraméter elemzésére, nagyobb pontossággal keresve a célt.

A kábítószer-szállítás szokásosan alkalmazott módszerei olyanok, mint egy levél küldése a városra és az utcára a borítékra írva, de házszám és lakásszám nélkül. További paramétereket kell tudnunk elemezni a hatékony teljesítés érdekében. "

Maxim Nikitin, a fő nyomozó és a MIPT nanobiotechnológiai laboratóriumának vezetője

Korábban Nikitin és társszerzői olyan nano- és mikrorészecskéket fejlesztettek ki, amelyek képesek komplex logikai számítások végrehajtására biokémiai reakciók útján. A Nature Nanotechnology című 2014-es cikkükben a kutatók arról számoltak be, hogy autonóm nanoszámítógépeik képesek elemezni a cél számos paraméterét, ezért sokkal jobban képesek azonosítani a célt.

Az elmúlt években számos előrelépés történt a biokomputerek terén. 2018-ig száz-száz papír jelent meg a témában. A Chemical Reviews, a szakma legrangosabb folyóirata, amelynek impaktfaktora 54,301, közzétette a korabeli nanorobotika és a biokomputálás áttekintését. A cikk "A teranosztikus nanorobotok hajnala" alcímmel a MIPT nanobiotechnológiai laboratóriumának és az Orosz Tudományos Akadémia (RAS) Prohorov Általános Fizikai Intézetének (Biofotonikai Laboratórium) kutatói írták.

A világ számos kutatócsoportjának erőfeszítései ellenére, amelyek megpróbálják kibővíteni a biokomputerek funkcionalitását, még mindig nem elég érzékenyek a betegségjelzőkre, ami lehetetlenné teszi a gyakorlati alkalmazásokat.

A csapat nemrégiben megjelent tanulmánya az ACS Nano-ban áttörést jelent ezen a területen. Kifejlesztettek egy egyedülálló intelligens anyagot, amelyet a DNS-jelekkel szembeni túlérzékenység jellemez. Több nagyságrenddel érzékenyebb, mint a legközelebbi versenytárs. Ezenkívül az új anyag nagyobb érzékenységet mutat, mint a jelenleg rendelkezésre álló expressz DNS-vizsgálatok túlnyomó része.

A kutatók ezt a figyelemre méltó eredményt elérték, miután felfedezték, hogy a DNS-molekulák szokatlan viselkedést mutatnak a nanorészecskék felszínén.

A vizsgálat során az egyszálú DNS-molekula egyik végét egy nanorészecskéhez rögzítették. Fontos, hogy a molekulának nem volt hajtűje - vagyis kettős szálú szegmensek, ahol a lánc egy része ragaszkodik önmagához. A csapat egy kis molekuláris receptorral szerelte fel a DNS-lánc másik végét. A várakozásokkal ellentétben a receptor nem kötötte meg célpontját. A tévedés kizárása után a tudósok feltételezték, hogy az egyszálú DNS megtapadhat a nanorészecskén, és felgördülhet, elrejtve az alatta lévő receptort a részecske felületén.

Kapcsolódó történetek

A hipotézis igaznak bizonyult, amikor a csapat kiegészítő DNS egyetlen szálat adott részecskéihez. A receptor azonnal aktívvá vált, megkötve a célpontját. Ez azért történt, mert a komplementer nukleotidok közötti kötések miatt a két DNS-szál merev kettős spirált vagy duplexet képezett. Mint egy kaméleon nyelve, a szál is feltekeredett, így a receptor megkötődött.

A DNS-szál ilyen kibontása hasonlít egy molekuláris jeladóhoz. Ez egyszálú DNS-re vonatkozik, amelynek egyik vége duplexet képez az ellenkező végével, felhajtva a szerkezetet. A DNS kiegészítő szála kibonthatja a jeladót. Van azonban jelentős és hasznos megkülönböztetés. "A molekuláris jelzőfényektől eltérően a felfedezett jelenség lehetővé teszi a nanorészecskére göndörödő DNS-erő hangolását a bemenő DNS kiegyenesítő erejétől elkülönítve. Ez drámai módon jobb érzékenységhez vezet a bemenet iránt." a Nanobiotechnology Lab, MIPT.

Dolgozatukban a kutatók olyan szereket mutatnak be, amelyek képesek DNS-en és/vagy jelerősítés nélkül is kimutatni a literenkénti 30 femtomol (mol egy milliomodmilliomod része) literenkénti alacsony koncentrációját. A tanulmány társszerzője, Elizaveta Mochalova, a MIPT nanobiotechnológiai laboratóriumi doktorandusz hallgatója hozzátette: "A terhességi tesztekben széles körben alkalmazott, nagyon egyszerű laterális áramlási vizsgálattal olyan magas érzékenységet mutattunk be. a tesztek tiszta laboratóriumi körülmények között is elvégezhetők, és nem igényelnek korszerű felszerelést. Ez teszi a technológiát jól alkalmassá a fertőző betegségek gyors szűrésére, az otthoni használatra szánt élelmiszer-tesztkészletekre és hasonló dolgokra. "

A cikk szerzői azt a technológiát is bemutatták, amely alkalmazható olyan intelligens nanoagensek tervezésére, amelyek felismerik a rákos sejteket a mikrokörnyezetükben lévő kis DNS koncentrációja alapján. Nem sokkal ezelőtt a kicsi nukleinsavakat csak értelmetlen törmeléknek gondolták, amelyek nagyobb funkcionális molekulák újrafeldolgozásából származnak. A kis RNS-ek azonban kiderült, hogy az élő sejtek számos folyamatának kulcsszabályozói. A biológusok jelenleg azonosítják a betegség markereit ezen RNS-ek között.

"Érdekes, hogy minél kisebb a kimutatható nukleinsav hossza, annál versenyképesebbé válik technológiánk" - kommentálta Nikitin. "Készíthetünk ultraszenzitív szereket, amelyeket jól tanulmányozott kicsi, 17-25 bázis hosszú RNS-ek vezérelnek. Ha azonban 10 nukleotidnál rövidebb szekvenciákat veszünk, egyszerűen nincsenek hasonló érzékenységű technológiák."

"Ami még izgalmasabb, hogy módszerünk lehetővé teszi a sejtek mikrokörnyezetének vizsgálatát annak megállapítására, hogy a rövidebb kicsi RNS-ek hasznosak-e a betegség markereként, és nem azok az értelmetlen vegyületek helyett, amelyeket általában a kimutatásuk nehézségei miatt tartanak".

Az újonnan kifejlesztett technológia perspektívákat kínál a genomika számára, mind az expressz gondozási pont DNS-vizsgálata, mind a következő generációs terápiás nanoanyagok kifejlesztése szempontjából. Az elmúlt években hatalmas áttöréseket tapasztaltunk a genomkutatásban és -szerkesztésben, de az új technológia megoldhatja a továbbra is releváns problémát: gyógyszereket csak a sajátos mikrokörnyezet-genetikai profilú sejtekhez juttatunk.

A kutatók azt tervezik, hogy tovább fejlesztik technológiájukat. Ez magában foglalja a MIPT nemrégiben létrehozott Genomikai Technológiai és Bioinformatikai Központjának jövőbeli munkáját.