I nanorobot che combattono il cancro cercano e distruggono i tumori

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Gli scenziati dell’ASU hanno programmato con successo nanorobot per ridurre i tumori interrompendo l’afflusso di sangue

In un importante passo avanti nella nanomedicina, gli scienziati della Arizona State University, in collaborazione con i ricercatori del Centro nazionale per la nanoscienza e la tecnologia (NCNST) dell’Accademia delle scienze cinese, hanno programmato con successo nanorobot per ridurre i tumori interrompendo l’afflusso di sangue.

“Abbiamo sviluppato il primo sistema robotico completamente autonomo, per un disegno farmacologico molto preciso e una terapia antitumorale mirata”, ha detto Hao Yan, direttore del Centro per la Progettazione Molecolare e Biomimetica dell’ASU Biodesign Institute e del Professor Milton Glick presso la Scuola di Molecolare Scienze.

“Inoltre, questa tecnologia è una strategia che può essere utilizzata per molti tipi di cancro, dal momento che tutti i vasi sanguigni solidi che alimentano il tumore sono essenzialmente gli stessi”, ha detto Yan.

La dimostrazione di successo della tecnologia, lo studio primo nel suo genere nei mammiferi che utilizza modelli murini di cancro al seno, melanoma, ovarico e cancro del polmone, è stata pubblicata sulla rivista Nature Biotechnology.

Cerca e distruggi
Yan è un esperto nel campo degli origami del DNA, che negli ultimi due decenni ha sviluppato la produzione su scala atomica per costruire strutture sempre più complesse.

I mattoni per costruire le loro strutture provengono dal DNA, che può essere ripiegato automaticamente in tutti i tipi di forme e dimensioni – tutti in una scala 1.000 volte più piccola della larghezza di un capello umano – nella speranza di un giorno di rivoluzionare informatica, elettronica e medicina .

Che un giorno potrebbe arrivare un po ‘più veloce del previsto.

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La nanomedicina è una nuova branca della medicina che cerca di combinare la promessa della nanotecnologia per aprire nuove vie per trattamenti, come la realizzazione di minuscole nanoparticelle di dimensioni molecolari per diagnosticare e curare malattie difficili, in particolare il cancro.

Fino ad ora, la sfida di far progredire la nanomedicina è stata difficile perché gli scienziati hanno voluto progettare, costruire e controllare attentamente i nanorobot per cercare e distruggere attivamente i tumori cancerosi, senza danneggiare le cellule sane.

Il team internazionale di ricercatori ha superato questo problema utilizzando una strategia apparentemente semplice per cercare in modo molto selettivo e affamare un tumore.

Questo lavoro è stato avviato circa cinque anni fa. I ricercatori dell’NCNST volevano innanzitutto tagliare specificamente l’apporto di sangue del tumore inducendo la coagulazione del sangue con un’elevata efficacia terapeutica e profili di sicurezza in più tumori solidi usando nanocarrier basati sul DNA. L’esperienza di Yan ha migliorato il design della nanomedicina per essere un sistema robotico completamente programmabile, in grado di svolgere la propria missione completamente da solo.

“Questi nanorobot possono essere programmati per trasportare carichi molecolari e causare blocchi di sangue nel sangue in loco, che possono portare alla morte dei tessuti e ridurre il tumore”, ha detto Baoquan Ding, professore all’NCNST di Pechino.

Nanobot in soccorso
Per eseguire il loro studio, gli scienziati hanno approfittato di un modello di tumore del topo ben noto, in cui le cellule tumorali umane vengono iniettate in un topo per indurre una crescita tumorale aggressiva.

Una volta che il tumore stava crescendo, i nanorobot sono stati impiegati per venire in soccorso.

Ogni nanorobot è costituito da un foglio di origami di DNA piatto, rettangolare, di 90 nanometri per 60 nanometri. Un enzima chiave per la coagulazione del sangue, chiamato trombina, è attaccato alla superficie.

La trombina può bloccare il flusso sanguigno del tumore coagulando il sangue all’interno dei vasi che alimentano la crescita del tumore, causando una sorta di mini infarto del tumore e portando alla morte del tessuto tumorale.

In primo luogo, una media di quattro molecole di trombina è stata collegata a uno scaffold di DNA piatto. Successivamente, il foglio piatto è stato ripiegato su se stesso come un foglio di carta in un cerchio per formare un tubo cavo.

Sono stati iniettati con una flebo in un topo, quindi hanno viaggiato attraverso il flusso sanguigno, inseguendo i tumori.

La chiave per programmare un nanorobot che attacca solo una cellula cancerosa era includere un carico utile speciale sulla sua superficie, chiamato aptamero del DNA. L’aptamero del DNA potrebbe mirare specificamente a una proteina, chiamata nucleolina, che è prodotta in quantità elevate solo sulla superficie delle cellule endoteliali tumorali e che non si trova sulla superficie delle cellule sane.

Una volta legato alla superficie del vaso sanguigno del tumore, il nanorobot è stato programmato, come il famigerato cavallo di Troia, per trasportare il suo ignaro carico di droga nel cuore stesso del tumore, esponendo la trombina.

I nanorobot funzionavano velocemente, riunendosi in gran numero per circondare rapidamente il tumore poche ore dopo l’iniezione.

Design sicuro e sano
Innanzitutto, il team ha dimostrato che i nanorobot erano sicuri ed efficaci nel ridurre i tumori.

“Il nanorobot si è rivelato sicuro e immunologicamente inerte per l’uso in topi normali e, anche nei maiali in miniatura di Bama, non mostrava cambiamenti rilevabili nella normale coagulazione del sangue o nella morfologia cellulare”, ha detto Yuliang Zhao, anche professore all’NCNST e scienziato capo del team collaborativo internazionale.

Ancora più importante, non vi era alcuna prova che i nanorobot si diffondessero nel cervello dove potevano causare effetti collaterali indesiderati, come un ictus.

“I nanorobot sono decisamente sicuri nei normali tessuti di topi e animali di grossa taglia”, ha detto Guangjun Nie, un altro professore dell’NCNST e un membro chiave del team collaborativo.

Il trattamento ha bloccato l’irrorazione sanguigna del tumore e generato un danno tissutale tumorale entro 24 ore senza alcun effetto sui tessuti sani. Dopo aver attaccato i tumori, la maggior parte dei nanorobot sono stati eliminati e degradati dal corpo dopo 24 ore.

A due giorni, c’erano prove di trombosi avanzata e a tre giorni sono stati osservati trombi in tutti i vasi tumorali.

La chiave è attivare la trombina solo quando è all’interno dei vasi sanguigni tumorali. Inoltre, nel modello del mouse per il melanoma, tre su otto topi che hanno ricevuto la terapia con nanorobot hanno mostrato una regressione completa dei tumori. Il tempo di sopravvivenza mediano è più che raddoppiato, passando da 20,5 a 45 giorni.

Hanno anche provato il loro sistema in un test di un modello primario di cancro del polmone del topo, che imita il decorso clinico umano dei pazienti con cancro del polmone. Hanno mostrato restringimento dei tessuti tumorali dopo un trattamento di due settimane.

La scienza del piccolo diventa grande
Per Yan, l’importante pietra miliare dello studio rappresenta la fine dell’inizio della nanomedicina.

“Il nanorobot di DNA per la consegna di trombina costituisce un importante progresso nell’applicazione della nanotecnologia del DNA per la terapia del cancro”, ha detto Yan. “In un modello di topo con melanoma, il nanorobot non solo ha colpito il tumore primitivo ma ha anche prevenuto la formazione di metastasi, mostrando un potenziale terapeutico promettente”.

Yan e i suoi collaboratori stanno ora attivamente perseguendo partner clinici per sviluppare ulteriormente questa tecnologia.

“Penso che siamo molto più vicini alle applicazioni mediche reali e pratiche della tecnologia”, ha detto Yan. “Combinazioni di diversi nanorobot razionalmente progettati che trasportano vari agenti possono aiutare a raggiungere l’obiettivo finale della ricerca sul cancro: l’eradicazione di tumori solidi e metastasi vascolarizzate. Inoltre, l’attuale strategia può essere sviluppata come piattaforma per il rilascio di farmaci per il trattamento di altre malattie modificando la geometria delle nanostrutture, i gruppi mirati e i carichi caricati “.

Questo lavoro è stato supportato da sovvenzioni dal Piano di ricerca nazionale di base della Cina (Programma MoST 2016 AAFA0201601), dalla Fondazione nazionale di scienze naturali della Cina (31730032, 21222311, 21573051, 91127021, il programma nazionale di scienziati distinti 31325010), Gruppo di ricerca sull’innovazione di National Natural Science Foundation (11621505, 21721002), Beijing Municipal Science & Technology Commission (Z161100000116035, Z161100000116036), CAS Interdisciplinary Innovation Team, KC Wong Education Foundation e US National Institutes of Health Director’s Transformative Research Award (R01GM104960-01).

Immagine in alto: grafica cartoon di Baoquan Ding e Hao Yan

dal sito asunow.asu.edu