Закупорка кровеносного сосуда и некроз тканей раковой опухоли в течение 72 часов после ввода ДНК-роботов в кровеносную систему мыши
Молекулы ДНК оказались отличной основой для проектирования и конструирования механических молекулярных устройств, способных реагировать на внешние сигналы — и осуществлять определённые действия в зависимости от них. В последние годы учёные провели успешные эксперименты с ДНК-роботами в качестве транспортных средств и зондов для формирования изображений. Эксперименты проводились в культивированной среде из выращенных клеток, на насекомых и нематодах Caenorhabditis elegans. Но до сих пор ни разу опыты с целевой доставкой лекарств не ставились на млекопитающих.
В то же время с 2003-2005 годов известно, что успешной стратегией по лечению рака является селективная закупорка кровеносных сосудов опухоли, чтобы лишить её питательных веществ и кислорода — и запустить лавину смерти опухолевых клеток. ДНК-роботы идеально подходят для выполнения такой задачи. Более того, эта стандартная стратегия работает для многих видов рака, поскольку кровеносные сосуды, питающие раковые клетки твёрдой опухоли, по сути одинаковые.
Коллектив китайских учёных впервые провёл такой эксперимент на млекопитающих (мышах). Они сконструировали роботов методом ДНК-оригами и загрузили их молекулами тромбина. Это сериновая протеаза, важнейший компонент системы свёртывания крови человека и животных. Тромбин регулирует агрегацию тромбоцитов путём активации тромбоцитов и преобразования циркулирующего фибриногена в фибрин, из-за чего происходит быстрая закупорка кровеносного сосуда (тромбоз).
Дизайн и описание наноробота с тромбином. ДНК-оригами реагирует на нуклеолин и разворачивается в прямоугольный лист. Его заполняют молекулами тромбина, сворачивают в трубку и в закрытом состоянии пускают по кровеносным сосудам. Прибыв на место закупорки, робот реагирует на нуклеолин, раскрывается и освобождает молекулы тромбина (яркие пятна на фотографии внизу, сделанной сканирующим атомно-силовым микроскопом, масштабная метка соответствует 100 нм)
Для эффективного использования этого метода критически важным является точная доставка тромбина в нужное место и закупорка конкретного сосуда, чтобы минимизировать потенциальный вред для других сосудов, где закупорка не требуется. Традиционными методами добиться этого не представлялось возможным, поэтому чистый тромбин раньше не использовали для лечения рака. Китайским медикам удалось успешно решить задачу с помощью ДНК-роботов. Эти роботы защищают тромбин и не выпускают его до тех пор, пока не встретят на своём пути характерный маркер раковой опухоли — нуклеолин. При встрече с ним роботы мгновенно раскрываются и выпускают «лекарство».
Метод ДНК-оригами позволяет создавать рациональный дизайн и производство наноструктур нужного размера, формы и функциональности. Учёные провели эксперимент на живой мыши с раковой опухолью молочной железы человека — и доказали эффективность таких роботов в реальном применении. Роботы успешно заблокировали конкретный кровеносный сосуд, питающий опухоль, и не тронули другие сосуды.
Для доказательства, что роботы не причиняют вреда и более крупным млекопитающим, были проведены дополнительные эксперименты на карликовых домашних свиньях (мини-пигах), которые очень похожи на человека по анатомии и физиологии. Свиньям провели инъекции ДНК-роботов стандартной мышиной терапевтической дозы (150 юнитов на свинью). Поскольку у свиней не было опухоли, то роботы свободно циркулировали в сосудах и не сработали. Не замечено никаких аномалий в системе кровообращении и параметрах свёртывания крови. Некоторые аномалии замечены при повышении дозы до 350 юнитов, но они оказались временными и тромбоза жизненно важных органов не произошло.
Карликовая домашняя свинья
Как показано на иллюстрации вверху, наноробот представляет собой самосборную нанотрубку с несколькими функциональными элементами. Она разворачивается в прямоугольный лист размером 90?60?2 нанометра.
Робот изготавливается из геномной ДНК бактериофага М13. Это вирус, который поражает бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). ДНК данного вируса — популярный инструмент для конструирования различных наноструктур. Ранее проводились эксперименты с разновидностями таких роботов, которые способны нести в себе полезную нагрузку из разных протеинов. Например, их используют в процессе сборки нанопроводов из оксида кобальта в батареях, а также для упаковки углеродных нанотрубок в плотные пучки, которые применяются в фотогальванике.
Хотя эксперименты на людях ещё впереди, но некоторые специалисты считают принципиально новый метод лечения рака настоящим прорывом. Избирательное уничтожение раковых опухолей выглядит гораздо перспективнее, чем «варварская» химиотерапия, которая уничтожает все клетки подряд. Если лекарство селективно действует только на опухоли и безвредно для здорового человека, то теоретически принимать такие «инъекции» с ДНК-роботами в качестве профилактики может любой человек. Есть у него есть какая-нибудь раковая опухоль — лекарство её убьёт, если нет опухоли — ничего не произойдёт.
Научная статья опубликована 12 января 2018 года в журнале Nature Biotechnology (doi: 10.1038/nbt.4071, pdf).
Комментарии (31)
Olga_Voronova
14.02.2018 10:13+2Осталось подождать 10 лет и рак будет побежден? Хочется в это верить! Очень хочется!
pOmelchenko
14.02.2018 19:46Ага, но будет по Нью-Йорку бегать один афроамериканец и отлавливать новых жителей с целью их излечения.
hokum13
15.02.2018 08:56Тонко…
Но верится с трудом. Слишком слабое воздействие, а значит при наличии таких серьезных побочек результаты эксперимента не выйдут за стены «улья\муравейника». )
DistortNeo
15.02.2018 01:59Нет. Это просто ещё один из потенциально эффективных способов лечения рака.
О победе над раком можно будет говорить только когда люди перестанут им заболевать.
Gutt
14.02.2018 11:30Раковые клетки многих опухолей любят плавать в кровотоке и цепляться куда ни попадя, кое-где успешно закрепляясь. Не будет ли тромбин выделяться при встрече ДНК-роботов с такими клетками? Если это произойдёт в каком-нибудь крупном сосуде, миокарде или мозге, то будет катастрофа. Тут вопрос в том,
sergku1213
14.02.2018 12:25В крупном сосуде ничего не будет — разбавление моментальное, если скоагулирует пара клеток, то это в кровеносной системе дело обычное, решается штатными способами.
vassabi
14.02.2018 11:37я так понимаю, что эти свертки в больших количествах вводят в кровь и они циркулируют везде. Где встретят нужный белок (или похожий на него) — там они разворачиваются.
А как потом нераскрытые трубкочки выводятся из крови?sergku1213
14.02.2018 12:28Вероятно, как все чужеродные объекты в организме — расщепляются обычным образом. То что при этом может выделиться некоторое количество тромбина — ну так мизерное, разбавление будет и тромбин этот тоже не вечен — так или иначе будет расщеплён. Об этом собственно и говорит опыт на свинках.
hyperwolf
14.02.2018 12:56Я подозреваю что речь идет об углеродных трубках и потенциально они могут быть канцерогенны, схоже по механизму воздействия на асбест.
sergku1213
14.02.2018 16:12«Ах в уме ли вы, газели?» (Это из Чуковского. «Телефон».Кстати — великий мастер слова был,. как обыграно созвучие) Какой асбест и углеродные нанотрубки в вирусах? ДНК. Легко расщепляется и усваивается. Вы перепутали эпохи, лет через 30 из углеродных трубок, наверное научатся делать роботов. Пока нет. Делают из того с чем легче работать — ДНК.
Eldhenn
14.02.2018 12:55Я, наверное, спрошу глупость, но всё же. Опухоль закупоривается тромбином, значит, отмирает, верно? А куда потом деваются её отмершие клетки? Лейкоцитами перевариваются?
Meklon
14.02.2018 13:09Макрофаги-трупожоры в основном.
Avior133
14.02.2018 13:20А если опухоль достаточно крупная, закупорка её сосудов не спровоцирует некроз?
Meklon
14.02.2018 13:26Спровоцирует. Будет асептическое воспаление. Совсем крупную можно и хирургически убрать.
stalinets
14.02.2018 16:26Интересно, вот в этой статье говорится, что врачи (в результате другого рода экспериментальной терапии рака) наблюдали смерть до 4 кг раковых клеток в течение нескольких дней. Как же пациент смог выжить, ведь должна была развиться сильная интоксикация организма от смерти сразу множества клеток.
tbl
14.02.2018 22:04В таких запущенных случаях наверно надо хирургическое удаление проводить, и только потом удалять остатки опухоли роботами (и потом еще раз терапию для профилактики метастаз)
sergku1213
14.02.2018 16:15«Пастеризация — В молоке микробов убиваете? А куда трупы деваете? — Ага!» Буду знать как их называть научно, благодаря кому даже большие синяки/шишки потихоньку рассасываются 8)
hatari90
14.02.2018 14:46Насколько я знаю, клетки при кислородном голодании выделяют определенный сигнальный белок, на который реагирует кровеносная система, запуская прорастание сосудов в сторону повышения его концентрации. Или здесь все происходит слишком быстро, в результате чего клетки помрут раньше?
Leljka
15.02.2018 13:11Вопрос? Как он «путешествует» по организму? Указано, что свинье сделана была иньекция. Какая? Внутримышечная или внутривенная? При внутримышечной «путешествие» лекарства начинается с капилляров. свинка много меньше и, все таки, строение организма у нее несколько другое (как и самих сосудов).
Вопрос второй. Указано, что данный наноробот изготовлен из биоматериала вируса, поражающего ишерехию (кишечную палочку), точнее — из ДНК бактериофага. Бактериофаги захватывают и разрушают бактерию. Небольшая сноска из учебников биологии, вирусологии:
Найдя нужную бактерию, маленький хищник прикрепляется к ее поверхности. Ферменты, находящиеся в хвосте бактериофага, растворяют оболочку бактерии, делая в ней отверстие, через которое «хозяин» и впрыскивает свою ДНК. Попав в бактерию, она полностью меняет ее метаболизм и начинает создавать свои белки, РНК, ДНК, то есть формировать «деток» пожирателя патогена. Когда этот процесс заканчивается, бактерия разрывается, а в среду выплескиваются молодые бактериофаги.
Итак, сам вопрос: вышеописанная информация закодирована в ДНК бактериофага! Тем более — это вирус! Поясню: Кроме самой ДНК у него нет ничего (оболочки, органелл). А его суть — размножаться, паразитируя на микроорганизмах, т.е. отдавая часть своего ДНК бактерии. Сама же по себе ишерехия безвредна и помогает пищеварению. Т.е. при ее отсутствии мы будем сталкиваться с дисбактериозами, расстройствами пищеварения, прошу прощения — испражнения, метеоризмами и диареями! Каким же образом после лечения опухоли от наноробота избавиться и его «отключить»?
И последнее. Редко когда опухоли диагностируют на ранних стадиях. Как быть с метастазами? Которые, кстати, поражают и органы в капсулах, и костную ткань, и мозг!
Не будет ли так: «роботов запрограммировали на убийство опухоли», а потом что-то пошло не так… очень многие открытия сначала имели успех, а спустя время — тяжелейшие последствия.Olga_Voronova
15.02.2018 13:46Как быть с метастазами?
Как я поняла как раз метастазы этот метод лечит прекрасно. За счет того, что циркулирует в кровеносной системе.
Каким же образом после лечения опухоли от наноробота избавиться и его «отключить»?
Со временем должны по идее сами вывестись… А если и нет, то пусть циркулируют. В статье написано:Не замечено никаких аномалий в системе кровообращении и параметрах свёртывания крови. Некоторые аномалии замечены при повышении дозы до 350 юнитов, но они оказались временными и тромбоза жизненно важных органов не произошло.
На людях по другому, да, но я думаю это проверят.Leljka
15.02.2018 15:55По кровеносной системе метастазы только переносятся, потом же успешно поселяются в любом органе. И кровеносная система много сложнее, чем у свинки, хоть и органы схожи. Некоторые органы имеют капсулы.
Со временем должны по идее сами вывестись
Ключевое слово — «по идее». Суть в том, что это бактериофаг. Т.е. даже запрограммированный ДНК (с заложенной информацией в рибосомы, т.е. уже мутированный ДНК вируса контролируемой мутацией) — остается бактериофагом. Разве что сам наноробот будет с ограниченным сроком жизни без программы размножения (естественно, новые нанороботы второго поколения при этом не появятся))) лишь мутированные бактериофаги).
Насчет «аномалий не замечено». Я написала не о результате в процессе, а о последствиях спустя время. Впрочем, любой вирус можно убить, и нанобота на основе вируса тоже. Может продумают и способ выведения из организмы. Свинке-то что? Ей сам бог велел быть результатом эксперимента))
Кстати. Каков механизм получения иммунитета при вирусе? Вирус каждый раз встраивает свой РНК в наш! На выходе имеем уже новый вирус, новый штамм, вируса-мутанта. Да и из нас эта РНК тоже никуда более не денется, так что, грубо, мы тоже мутанты, зарабатывающие иммунитет на мутации нашего ДНК. Так действует л ю б о й вирус. Бактериофаг так же действует, разрушая ишерехию.Olga_Voronova
15.02.2018 16:44+1По кровеносной системе метастазы только переносятся, потом же успешно поселяются в любом органе.
Логично. Но как правило метастазами называют уже поселившиеся колонии. вот их вместе с основной опухолью и убьют эти ДНК трубки.
Бактериофаг так же действует, разрушая ишерехию.
Знаете, если у меня будет стоять выбор загнуться через год от рака или всю оставшуюся жизнь (лет 20-30) пить каждый день бифидум бактерин (ну условно). Вот выберу пить таблетки всю жизнь не задумываясь…
littorio
15.02.2018 23:30Тут, конечно, надо знать детали, но в общем-то, ваше предположение смешно. Бактериофаг — всего лишь инструмент, которым делают таких роботов.
При сборке/изготовлении моего мотоцикла использовались гаечные ключи, но когда мотоцикл ездит по городу, он не пытается откручивать все гайки направо и налево ;)
Alexsandr_SE
Скорее всего нужно будет совместить хотя бы с той же химией, но дозы будут куда как меньше.