抗癌的纳米机器人被编程为寻找和摧毁肿瘤

亚利桑那州立大学(ASU)的科学家们与中国科学院国家纳米科学中心(NCNST)的研究人员合作,成功编程纳米机器人,通过切断血液来缩小肿瘤供应。

“我们开发了第一个完全自主的DNA机器人系统,用于非常精确的药物设计和靶向癌症治疗,”ASU生物设计研究所分子设计和仿生学中心主任,分子学院Milton Glick教授郝岩说。科学。

“此外,这项技术是一种可用于多种癌症的策略,因为所有实体瘤供血血管基本相同,”Yan说。

该技术的成功演示,是利用乳腺癌,黑色素瘤,卵巢癌和肺癌小鼠模型进行的首次哺乳动物研究,发表在Nature Biotechnology杂志上。

寻找和摧毁

Yan是DNA折纸领域的专家,在过去的二十年里,他开发了原子级制造,以构建越来越复杂的结构。

用于构建结构的砖块来自DNA,它可以自我折叠成各种形状和大小 - 所有这些都比人类头发的宽度小一千倍 - 希望有一天能够彻底改变计算,电子和医学。

有一天可能比预期的要快一点。

纳米医学是一个新的医学分支,旨在结合纳米技术的前景,开辟全新的治疗途径,例如制造微小的分子大小的纳米粒子来诊断和治疗难治性疾病,尤其是癌症。

到目前为止,推进纳米医学的挑战一直很困难,因为科学家们想要设计,建造和精心控制纳米机器人,以积极寻找和摧毁癌症 - 同时不伤害任何健康细胞。

国际研究团队通过使用看似简单的策略来非常有选择地寻找和挨饿肿瘤来克服这个问题。

这项工作大约在5年前开始。NCNST研究人员首先希望通过使用基于DNA的纳米载体在多个实体瘤中诱导具有高治疗效率和安全性的血液凝固来特异性地切断肿瘤血液供应。郝妍教授的专业知识将纳米医学设计升级为完全可编程的机器人系统,能够完全靠自己完成任务。

“这些纳米机器人可以被编程以传输分子有效载荷并导致现场肿瘤血液供应阻塞,这可能导致组织死亡并缩小肿瘤,”位于中国北京的NCNST教授丁宝泉说。

Nanorobots救援

为了进行他们的研究,科学家们利用了一个众所周知的小鼠肿瘤模型,将人类癌细胞注入小鼠体内,诱导肿瘤生长。

一旦肿瘤生长,就会部署纳米机器人来救援。

每个纳米机器人都是由平面的矩形DNA折纸板制成,尺寸为90纳米×60纳米。一种称为凝血酶的关键血液凝固酶附着在表面上。

凝血酶可通过凝固血管内的血液来阻断肿瘤血流,从而引起肿瘤生长,导致一种肿瘤微小心脏病发作,并导致肿瘤组织死亡。

首先,平均四个凝血酶分子附着在扁平DNA支架上。接下来,将平板像纸张一样折叠成圆形以制成中空管。

他们向小鼠注射静脉注射,然后在整个血液中移动,在肿瘤上进行归巢。

编程仅攻击癌细胞的纳米机器人的关键是在其表面包括一种称为DNA适体的特殊有效负载。DNA适体可以特异性地靶向一种称为核仁蛋白的蛋白质,该蛋白质仅在肿瘤内皮细胞表面上大量产生 - 而不是在健康细胞表面发现。

一旦与肿瘤血管表面结合,纳米机器人就像臭名昭着的特洛伊木马一样被编程,在肿瘤的心脏部位运送其毫无防备的药物,暴露出一种凝血酶,这是血液凝固的关键。

纳米机器人工作速度快,大量聚集,在注射后数小时迅速包围肿瘤。

安全可靠的设计

首先,该团队表明纳米机器人在缩小肿瘤方面是安全有效的。

“纳米机器人在正常小鼠中使用时被证明是安全的和免疫学惰性的,并且在巴马小型猪中也显示出正常血液凝固或细胞形态没有可检测到的变化,”NCNST教授兼首席科学家赵玉良说。国际协作团队。

最重要的是,没有证据表明纳米机器人会扩散到大脑中,从而导致不必要的副作用,例如中风。

“纳米机器人在小鼠和大型动物的正常组织中绝对安全,”NCNST的另一位教授,协作团队的关键成员倪光军说。

该治疗在24小时内阻止肿瘤血液供应并产生肿瘤组织损伤,同时对健康组织没有影响。在攻击肿瘤后,大多数纳米机器人在24小时后被清除并从体内降解。

两天后,有证据表明血栓形成晚期,并且在3天内观察到所有肿瘤血管中的血栓。

关键是只有当它在肿瘤血管内时触发凝血酶。此外,在黑素瘤小鼠模型中,接受纳米机器人治疗的8只小鼠中有3只显示肿瘤完全消退。中位生存时间增加一倍以上,从20.5天延长至45天。

他们还在对原发性小鼠肺癌模型的测试中尝试了他们的系统,该模型模拟了肺癌患者的人类临床过程。他们在治疗2周后显示肿瘤组织收缩。

非常小的科学变得很大

对于Yan来说,重要的研究里程碑代表了纳米医学开始的结束。

“凝血酶递送DNA纳米机器人是DNA纳米技术在癌症治疗中应用的重大进步,”Yan说。“在黑色素瘤小鼠模型中,纳米机器人不仅影响了原发肿瘤,而且还阻止了转移的形成,显示出有希望的治疗潜力。”

Yan和他的合作者正在积极寻求临床合作伙伴,以进一步发展这项技术。

“我认为我们更接近该技术的实际医学应用,”Yan说。“不同合理设计的携带各种药物的纳米机器人的组合可能有助于实现癌症研究的最终目标:根除实体瘤和血管化转移。此外,目前的策略可以作为药物输送平台开发,用于治疗其他疾病。修改纳米结构,目标群体和装载货物的几何形状。“