Nature子刊:DNA纳米机器人精准靶向癌症
2018/02/22
我们目前对抗恶性肿瘤的方法还远远不够,常见的化疗和放射治疗有时很成功,但也会带来巨大的副作用。这主要是因为体内的健康细胞也会被“连累”受到化学物质和辐射的“轰击”。研究人员一直在努力寻找一种靶向肿瘤且不伤害健康细胞的方法。而2月12日《Nature Biotechnology》杂志上发表的一项研究表明,由DNA折纸技术制造的纳米机器人可能是一个很好的选择。


DNA折纸是什么?与传统折纸所选用材料不同,DNA折纸技术采用DNA链进行折叠。DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法,是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。

此前已有研究证明,使用生物相容的、可降解的、基于DNA的生物机器人来治疗癌症是可行的。该研究共同作者、亚利桑那州立大学的颜颢(Hao Yan)表示,研究团队的初衷就是“找到可以应用于人类癌症治疗的纳米机器人的设计方法”。

Yan和同事首先制作了一个自组装的矩形DNA折纸,并和凝血酶结合起来。然后,使用DNA紧固件连接长方形的长边,形成管状纳米机器人,内部带有凝血酶。他们设计了一种能将核蛋白(一种特定于肿瘤血管细胞表面的蛋白质)结合在一起的方法。这些纳米机器人可以通过编程来传输分子载荷,并导致肿瘤血液供应堵塞,从而导致组织死亡和肿瘤缩小。


亚利桑那州立大学的科学家编程DNA(以绿色显示)寻找肿瘤细胞。 在这些纳米机器人内部,科学家植入了凝血酶(紫色)以阻止血液流向肿瘤。


一旦进入血管(显示为红色管)“喂食”肿瘤,纳米机器人就会打开(看起来平坦呈灰色)以释放凝血酶(紫色),其刺激血小板和凝血剂(红色和黄色)以阻断血管(血管末端显示血块),并切断肿瘤的供应。

接下来,为了测试DNA纳米机器人,研究人员将它们注射到感染了人类乳腺癌、卵巢癌、黑素瘤和肺癌的小鼠模型中。这些机器人抓住肿瘤部位的血管细胞,并在48小时内在肿瘤血管内引起大量血凝结,且不会引起体内其他部位凝血。结果与对照小鼠相比,DNA纳米机器人延长了小鼠的寿命,减缓或逆转了肿瘤的生长。此外,在黑色素瘤的小鼠模型中,DNA纳米机器人似乎能够阻止黑色素瘤扩散到肝脏;肺癌小鼠模型中,肿瘤生长减缓时,肺部甚至显示出开始自我修复的能力。

“我们开发了第一个完全自主的DNA机器人系统,用于非常精准的药物设计和靶向癌症治疗。”Yan博士说:“凝血酶传递DNA纳米机器人是DNA纳米技术在癌症治疗中的一个重要进展。”

当然,如果纳米机器人本身对人类构成威胁,其治疗肿瘤的能力就无从谈起。研究人员发现,这些机器人并没有在肿瘤外凝结血液,也没有在小鼠或猪身上触发任何明显的免疫反应。

休斯敦卫理公会医院和威尔康奈尔医学院的生物医学工程师Mauro Ferrari评价道,“从小鼠模型到人类是一个巨大的工程。目前尚不清楚靶向核蛋白和递送凝血酶是否具有临床意义。但突破性性的是,这是一个平台,研究人员可以用类似的方法做其他研究,这方面意义深远。”

虽然这些DNA纳米机器人仍处于实验阶段,还没有在人类身上进行测试,但它们显示出了治疗癌症的巨大潜力。“我们的研究表明,基于DNA的纳米载体已经被证明是一种有效的、安全的癌症治疗方法。”项目的研究人员之一Guangjun Nie表示, “我们目前正在与一家生物技术公司合作,将这种革命性技术转化为一种可行的抗肿瘤治疗方法。”

参考资料

Researchers use nanorobots to kill tumors in mice

Cancer-Fighting Nanorobots Programmed To Shrink Tumors

DNA Robots Target Cancer

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  • A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo

    Nanoscale robots have potential as intelligent drug delivery systems that respond to molecular triggers1,2,3,4. Using DNA origami we constructed an autonomous DNA robot programmed to transport payloads and present them specifically in tumors. Our nanorobot is functionalized on the outside with a DNA aptamer that binds nucleolin, a protein specifically expressed on tumor-associated endothelial cells5, and the blood coagulation protease thrombin within its inner cavity. The nucleolin-targeting aptamer serves both as a targeting domain and as a molecular trigger for the mechanical opening of the DNA nanorobot. The thrombin inside is thus exposed and activates coagulation at the tumor site. Using tumor-bearing mouse models, we demonstrate that intravenously injected DNA nanorobots deliver thrombin specifically to tumor-associated blood vessels and induce intravascular thrombosis, resulting in tumor necrosis and inhibition of tumor growth. The nanorobot proved safe and immunologically inert in mice and Bama miniature pigs. Our data show that DNA nanorobots represent a promising strategy for precise drug delivery in cancer therapy.

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