Un equipo de investigadores logra crear nanorobots que destruyen los tumores desde dentro

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A.S. Gran avance en nanomedicina. 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 reducir tumores cortando su suministro de sangre .

“Hemos desarrollado el primer sistema totalmente autónomo de ADN robótico para un diseño de fármacos muy preciso y terapia dirigida contra el cáncer”, dijo Hao Yan, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética de ASU Biodesign Institute y profesor de Milton Glick en la Escuela 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 se alimentan de tumores son esencialmente iguales”, dijo Yan.

La exitosa demostración de la tecnología, el primer estudio de este tipo en mamíferos que utilizan modelos de cáncer de cáncer de mama, melanoma, 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 doblar por sí mismo en todo tipo de formas y tamaños, todo a una escala mil veces más pequeña que el ancho de un cabello humano, con la esperanza de algún día revolucionar la informática. electrónica y medicina.

Ese día puede venir 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 los tratamientos, como la fabricación de minúsculas nanopartículas del tamaño de una molécula para diagnosticar y tratar enfermedades difíciles, especialmente el cáncer.

Hasta ahora, el desafío para avanzar en la nanomedicina ha sido difícil porque los científicos querían diseñar, construir y controlar cuidadosamente los nanorobots para buscar activamente y destruir tumores cancerosos, sin dañar a las células sanas.

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

Este trabajo se inició hace aproximadamente 5 años. Los investigadores de NCNST primero quisieron cortar específicamente el suministro de sangre del tumor al inducir la coagulación sanguínea con alta eficacia terapéutica y perfiles de seguridad en múltiples tumores sólidos utilizando nanovehículos basados ​​en ADN. La experiencia del Prof. Hao Yan ha mejorado el diseño de la 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 tumoral en el sitio, lo que puede provocar la muerte del tejido y reducir el tamaño del tumor”, dijo Baoquan Ding, profesor del NCNST, ubicado en Beijing, China.

Nanorobots al rescate

Para llevar a cabo su estudio, los científicos tomaron ventaja de un modelo de tumor de ratón bien conocido, donde las células cancerosas humanas se inyectan en un ratón para inducir un crecimiento tumoral agresivo.

Una vez que el tumor estaba creciendo, los nanorobots se desplegaron para ir 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 para 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 tumoral, lo que causa un tipo de miniinflamación tumoral y conduce a 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 formar un tubo hueco.

Les inyectaron una vía intravenosa en un ratón, luego viajaron a través del torrente sanguíneo, dirigiéndose a los tumores.

La clave para programar un nanorobot que solo ataca una célula cancerosa era incluir una carga 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 del tumor 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 caballo de Troya célebre, para entregar su incauto cargamento de droga en el mismo corazón del tumor, exponiendo una enzima llamada trombina que es clave para la coagulación de la sangre.

Los nanorobots trabajaron rápido, se juntaron en grandes cantidades para rodear rápidamente el tumor unas horas después de la inyección.

Diseño seguro y sano

Primero y principal, el equipo demostró que los nanorobots eran seguros y efectivos en la reducción de tumores.

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

Lo que es más importante, no hubo evidencia de que los nanorobots se diseminaran al cerebro donde podrían 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 un miembro clave del equipo de colaboración.

El tratamiento bloqueó el suministro de sangre al tumor y generó daños al tejido tumoral en 24 horas, mientras no tiene efecto sobre los tejidos sanos. Después de atacar a los tumores, la mayoría de los nanorobots se eliminaron y degradaron del cuerpo después de 24 horas.

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

La clave es desencadenar 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. La mediana del tiempo de supervivencia se duplicó, extendiéndose 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 se torna grande.

Para Yan, el importante hito del estudio representa el final del comienzo de la nanomedicina. “El nanorobot ADN de entrega de trombina constituye un avance importante en la aplicación de ADN nanotecnología para la terapia contra el cáncer “, dijo Yan. “En un modelo de ratón melanoma, el nanorobot no solo afectó al tumor primario sino que también evitó 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 racionalmente diseñados 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 medicamentos para el tratamiento de otras enfermedades modificación de la geometría de las nanoestructuras, los grupos objetivo y los cargamentos cargados.

Fuente: Materiales proporcionados por la Universidad Estatal de Arizona.

Referencia de la publicación: Suping Li, Qiao Jiang, Shaoli Liu, Yinlong Zhang, Yanhua Tian, ​​Chen Song, Jing Wang, Yiguo Zou, Gregory J. Anderson, Jing-Yan Han, Yung Chang, Yan Liu, Chen Zhang, Liang Chen, Guangbiao Zhou, Guangjun Nie, Hao Yan, Baoquan Ding, Yuliang Zhao.

Un nanorobot de ADN funciona como un agente terapéutico contra el cáncer en respuesta a un activador molecular in vivo. Nature Biotechnology, 2018; DOI: 10.1038 / nbt.4071

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