Nanorobots Totalmente Autónomos Que Luchan Contra El Cáncer Buscan Y Destruyen Tumores

Nanorobots que luchan contra el cáncer buscan y destruyen tumores

La clave para programar un nanorobot que solo ataca a una célula cancerosa fue incluir una carga útil especial en su superficie, llamada aptámero de ADN. El aptámero de ADN podría apuntar específicamente a una proteína, llamada nucleolina, que se produce en grandes cantidades solo en la superficie de las células endoteliales tumorales y no se encuentra en la superficie de las células sanas. Jason Drees, Universidad Estatal de Arizona

En un avance importante en nanomedicina, los científicos de la Universidad Estatal de Arizona (ASU), en colaboración con investigadores del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST), de la Academia de Ciencias de China, han programado con éxito nanorobots para encoger los tumores cortando su sangre. suministro.

“Hemos desarrollado el primer sistema totalmente autónomo ADN sistema robótico para un diseño de fármacos muy preciso y una terapia contra el cáncer dirigida ”, dijo Hao Yan, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética del Instituto de Biodesign de ASU y Profesor Milton Glick en la Facultad de Ciencias Moleculares.

“Además, esta tecnología es una estrategia que se puede utilizar para muchos tipos de cáncer, ya que todos los vasos sanguíneos sólidos que alimentan los tumores son esencialmente iguales”, dijo Yan.

La exitosa demostración de la tecnología, el primer estudio de su tipo en mamíferos que utiliza modelos de ratón con cáncer de mama, melanoma, cáncer de ovario y pulmón, se publicó en la revista Nature Biotechnology.

Buscar y destruir

Yan es un experto en el campo del origami de ADN, que en las últimas dos décadas ha desarrollado la fabricación a escala atómica para construir estructuras cada vez más complejas.

Los ladrillos para construir sus estructuras provienen del ADN, que se puede auto-plegar en todo tipo de formas y tamaños, todo a una escala mil veces menor que el ancho de un cabello humano, con la esperanza de que algún día revolucione la informática, la electrónica y medicamento.

Ese día puede llegar un poco más rápido de lo previsto.

La nanomedicina es una nueva rama de la medicina que busca combinar la promesa de la nanotecnología para abrir vías completamente nuevas para tratamientos, como la fabricación de nanopartículas minúsculas del tamaño de una molécula para diagnosticar y tratar enfermedades difíciles, especialmente el cáncer.

Hasta ahora, el desafío de avanzar en la nanomedicina ha sido difícil porque los científicos querían diseñar, construir y controlar cuidadosamente los nanorobots para buscar y destruir activamente tumores cancerosos, sin dañar ninguna célula sana.

El equipo internacional de investigadores superó este problema utilizando una estrategia aparentemente simple para buscar de manera muy selectiva y matar de hambre un tumor.

Este trabajo se inició hace unos 5 años. Los investigadores del NCNST primero querían cortar específicamente el suministro de sangre a los tumores induciendo la coagulación de la sangre con una alta eficacia terapéutica y perfiles de seguridad en múltiples tumores sólidos utilizando nanoportadores basados ​​en ADN. La experiencia del profesor Hao Yan ha mejorado el diseño de nanomedicina para que sea un sistema robótico totalmente programable, capaz de realizar su misión por sí solo.

“Estos nanorobots pueden programarse para transportar cargas moleculares y causar bloqueos en el suministro de sangre del tumor en el sitio, lo que puede provocar la muerte del tejido y reducir el tumor”, dijo Baoquan Ding, profesor del NCNST, ubicado en Beijing, China.

Nanorobots al rescate

Para realizar su estudio, los científicos aprovecharon un modelo de tumor de ratón muy conocido, en el que se inyectan células cancerosas humanas en un ratón para inducir un crecimiento tumoral agresivo.

Una vez que el tumor estaba creciendo, se desplegaron los nanorobots para que acudieran al rescate.

Cada nanorobot está hecho de una hoja de origami de ADN plana y rectangular, de 90 nanómetros por 60 nanómetros de tamaño. Una enzima clave de la coagulación de la sangre, llamada trombina, está adherida a la superficie.

La trombina puede bloquear el flujo sanguíneo del tumor al coagular la sangre dentro de los vasos que alimentan el crecimiento del tumor, provocando una especie de mini-ataque cardíaco tumoral y provocando la muerte del tejido tumoral.

Primero, se unió un promedio de cuatro moléculas de trombina a un andamio de ADN plano. A continuación, la hoja plana se dobló sobre sí misma como una hoja de papel en un círculo para hacer un tubo hueco.

Se les inyectó una vía intravenosa en un ratón, luego viajaron por el torrente sanguíneo, dirigiéndose a los tumores.

La clave para programar un nanorobot que solo ataca a una célula cancerosa fue incluir una carga útil especial en su superficie, llamada aptámero de ADN. El aptámero de ADN podría apuntar específicamente a una proteína, llamada nucleolina, que se produce en grandes cantidades solo en la superficie de las células endoteliales tumorales y no se encuentra en la superficie de las células sanas.

Una vez unido a la superficie de los vasos sanguíneos del tumor, el nanorobot fue programado, como el famoso caballo de Troya, para entregar su carga de fármaco desprevenida en el corazón del tumor, exponiendo una enzima llamada trombina que es clave para la coagulación de la sangre.

Los nanorobots trabajaron rápido, congregándose en grandes cantidades para rodear rápidamente el tumor pocas horas después de la inyección.

Diseño sano y salvo

En primer lugar, el equipo demostró que los nanorobots eran seguros y eficaces para reducir tumores.

“El nanorobot demostró ser seguro e inmunológicamente inerte para su uso en ratones normales y, también en cerdos en miniatura Bama, y ​​no mostró cambios detectables en la coagulación sanguínea normal o la morfología celular”, dijo Yuliang Zhao, también profesor de NCNST y científico principal de la equipo colaborativo internacional.

Lo más importante es que no hubo evidencia de que los nanorobots se diseminaran al cerebro donde pudieran causar efectos secundarios no deseados, como un derrame cerebral.

“Los nanorobots son decididamente seguros en los tejidos normales de ratones y animales grandes”, dijo Guangjun Nie, otro profesor del NCNST y miembro clave del equipo colaborativo.

El tratamiento bloqueó el suministro de sangre al tumor y generó daño en el tejido tumoral en 24 horas sin tener ningún efecto sobre los tejidos sanos. Después de atacar los tumores, la mayoría de los nanorobots fueron eliminados y degradados del cuerpo después de 24 horas.

A los dos días, hubo evidencia de trombosis avanzada y, a los 3 días, se observaron trombos en todos los vasos tumorales.

La clave es activar la trombina solo cuando está dentro de los vasos sanguíneos del tumor. Además, en el modelo de ratón con melanoma, 3 de cada 8 ratones que recibieron la terapia con nanorobot mostraron una regresión completa de los tumores. El tiempo medio de supervivencia aumentó a más del doble, y se extendió de 20,5 a 45 días.

También probaron su sistema en una prueba de un modelo primario de cáncer de pulmón de ratón, que imita el curso clínico humano de pacientes con cáncer de pulmón. Mostraron encogimiento de los tejidos tumorales después de un tratamiento de 2 semanas.

La ciencia de lo muy pequeño va a lo grande

Para Yan, el importante hito del estudio representa el final del comienzo de la nanomedicina.

“El nanorobot de ADN de administración de trombina constituye un avance importante en la aplicación de la nanotecnología de ADN para la terapia del cáncer”, dijo Yan. “En un modelo de ratón con melanoma, el nanorobot no solo afectó al tumor primario sino que también previno la formación de metástasis, mostrando un potencial terapéutico prometedor”.

Yan y sus colaboradores ahora están buscando activamente socios clínicos para desarrollar aún más esta tecnología.

“Creo que estamos mucho más cerca de las aplicaciones médicas reales y prácticas de la tecnología”, dijo Yan. “Las combinaciones de diferentes nanorobots diseñados racionalmente que llevan varios agentes pueden ayudar a lograr el objetivo final de la investigación del cáncer: la erradicación de tumores sólidos y metástasis vascularizadas. Además, la estrategia actual puede desarrollarse como una plataforma de administración de fármacos para el tratamiento de otras enfermedades mediante la modificación de la geometría de las nanoestructuras, los grupos objetivo y las cargas cargadas ”.

Publicación: Suping Li, et al., “Un nanorobot de ADN funciona como un tratamiento contra el cáncer en respuesta a un desencadenante molecular in vivo”, Nature Biotechnology, 2018; doi: 10.1038 / nbt.4071

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