Modern medicin bygger till stor del på att behandla patienter med "småmolekylära" läkemedel, som inkluderar smärtstillande medel som aspirin och antibiotika som penicillin.

Dessa droger har förlängt människans livslängd och gjort många livshotande sjukdomar lätta att behandla, men forskare tror att det nya tillvägagångssättet för läkemedelsleverans i nanoskala kan erbjuda ännu fler framsteg. Att leverera RNA eller DNA till specifika celler erbjuder löftet om att selektivt slå på eller av gener, medan enheter i nanoskala som kan injiceras eller implanteras i kroppen kan tillåta läkare att rikta läkemedel mot specifika vävnader under en definierad tidsperiod.

"Det finns en växande förståelse för den biologiska grunden för sjukdomar, och en växande förståelse för vilken roll vissa gener spelar i sjukdomar, säger Daniel Andersson, Samuel A. Goldblith docent i kemiteknik och medlem av MIT:s Institute for Medical Engineering and Science och David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. "Frågan är, "Hur kan vi dra nytta av detta?"

Forskare i Andersons labb, liksom många andra på MIT, arbetar på nya sätt att leverera RNA och DNA för att behandla en mängd olika sjukdomar. Cancer är ett primärt mål, men leveranser av genetiskt material kan också hjälpa till med många sjukdomar orsakade av defekta gener, inklusive Huntingtons sjukdom och hemofili. "Det finns många gener som vi tror om vi bara kunde stänga av dem eller slå på dem, det kan vara terapeutiskt, " säger Anderson.

En lovande väg är RNA-interferens (RNAi), en naturligt förekommande process som tillåter celler att finjustera sitt genuttryck. Korta RNA-strängar som kallas siRNA fångar upp och förstör budbärar-RNA innan det kan bära proteinbyggande instruktioner från DNA till resten av cellen. Forskare hoppas att genom att skapa sitt eget siRNA för att rikta in sig på specifika gener, de kommer att kunna stänga av gener som orsakar sjukdomar.

Dock, denna potential har ännu inte realiserats på grund av utmaningar med att säkert leverera siRNA till rätt vävnader och undvika andra vävnader. Att använda virus är en möjlighet, men är ett alternativ som medför vissa säkerhetsrisker, så många forskare undersöker nu syntetiska transportmedel för genetiskt material.

Andersons labb utvecklar material som kallas lipidoider, fettmolekyler som kan omsluta och leverera strängar av siRNA. Studier har visat att dessa material effektivt kan leverera RNA och krympa tumörer hos djur; MIT-forskare arbetar nu med att utveckla dem för mänskliga tester. Dessa partiklar kan leverera många RNA-sekvenser samtidigt, gör det möjligt för forskare att rikta in sig på flera gener. "Många av dessa sjukdomar, särskilt cancer, är komplicerade och kan kräva att flera gener stängs av, eller stänga av vissa gener och vissa gener på, " säger Anderson.

Anderson använder också en teknik som kallas nukleinsyraorigami för att vika DNA och RNA till strukturer som är lämpliga för att rikta in sig på cancerceller. Nukleinsyra origami, utvecklats under de senaste åren, möjliggör extremt exakt kontroll över platsen för varje atom i en struktur – något som är svårt att uppnå med andra typer av nanopartiklar, säger Andersson.

I en studie från 2012 som involverade möss, Anderson visade att vikta DNA-nanopartiklar märkta med folat ackumulerades i äggstockscancerceller, som uttrycker många fler folatreceptorer på sina ytor än friska celler.

Flersidigt tillvägagångssätt

Paula Hammond, David H. Koch professor i teknik och medlem av Koch Institute, utvecklar också nya material för att leverera både RNA och traditionella läkemedel. Genom att använda sin lager-för-lager-monteringsteknik, hon skapar nanopartiklar som innehåller lager av flera typer av RNA, eller kombinera RNA med ett kemoterapiläkemedel.

Denna mångsidiga attack kan tillåta forskare att utforma behandlingar som skär av många av tumörcellers möjliga flyktvägar. "Vi är mycket intresserade av att titta på kombinationer som skulle involvera RNAi som slår ner cellernas förmåga att motverka kemoterapiattack, " säger Hammond.

Hammonds forskning inom detta område är nu inriktad på cancer, men tillvägagångssättet kan också lämpa sig för att behandla inflammation som orsakas av infektionssjukdomar, hon säger. "Med RNAi, tillvägagångssättet är ganska modulärt, och när du väl förstår vilka gener du behöver påverka, du kan arbeta med att rikta in dem, " säger Hammond.

Hammonds labb arbetar också med beläggningar för medicinska enheter som kan utsöndra användbara läkemedel, hormoner eller tillväxtfaktorer. Ett sådant projekt går ut på att belägga höftimplantat med lager som utsöndrar bentillväxtfaktorer. I studier med djur, hon har visat att dessa beläggningar kan främja tillväxten av naturligt ben, och starkare vidhäftning mellan höftimplantat och kroppens eget ben. Om arbetet översätts till mänsklig klinisk användning, det kan tillåta höftimplantat att hålla längre och minska behovet av ytterligare operationer för att ersätta implantaten.

Hammond arbetar också med material som främjar sårläkning genom förprogrammerad frisättning av tillväxtfaktorer från bandage och förband, och på ultratunn, transparenta beläggningar för kataraktersättningslinser som frigör antiinflammatoriska läkemedel.

Leverans och diagnostik

Michael Cima, David H. Koch professor i teknik, och Robert Langer, David H. Koch-institutets professor, båda medlemmarna i Koch-institutet, arbetar med enheter i nano- och mikroskala som kan implanteras i kroppen för att frigöra läkemedel eller diagnostisera sjukdomar.

Många år sedan, Cima och Langer började arbeta på ett implanterbart chip som kan dispensera medicin inuti kroppen, men som styrs trådlöst utifrån kroppen. I kliniska prövningar förra året, företaget som utvecklade chippet för kommersiellt bruk visade att det på ett tillförlitligt sätt kunde leverera exakta doser av en osteoporosmedicin som normalt ges genom injektion.

Företaget som utvecklar chipet, MicroCHIPS Inc., krymper nu enheten och ökar antalet läkemedelsreservoarer på chipet (versionen som användes i förra årets försök hade 20 sådana brunnar). Det kan göra att enheten kan användas under mycket längre tidsperioder – upp till 30 år, säger Cima. Det skulle göra det möjligt för den att fungera som en konstgjord körtel, frisätter hormoner vid behov, han säger, speciellt om en sensor kan inkluderas för att varna chippet när det ska släppa en dos.

En sådan anordning kan vara användbar för många endokrina sjukdomar. "Tillväxtsjukdomar, utveckling och reproduktion är alla områden där det finns betydande otillfredsställda behov, eller terapier som är mycket svåra att implementera, " säger Cima.

Cima arbetar också med diagnostiska enheter som kan hjälpa till att övervaka tumörens svar på behandling, eller upptäcka om någon har haft en hjärtattack. Hans strategi är att ta tester som ursprungligen utvecklats för in vitro-användning (där ett prov tas bort från kroppen och testas i ett labb), och istället placera avkänningsanordningen inuti kroppen. Dessa diagnostiska anordningar skulle implanteras i samband med en medicinsk procedur.

Till exempel, när man misstänker cancer, en biopsi görs på en patient. Cima utvecklar nu enheter som kan implanteras på tumörstället under biopsi och senare användas för att övervaka syrenivå eller surhet, båda avslöjar viktig information om hur sjukdomen ska behandlas och om behandlingen fungerar.

En annan sensor han utvecklade använder magnetiska nanopartiklar, inrymd i en 8-millimeters skiva implanterad i huden, att upptäcka tre proteiner som frigörs vid en hjärtinfarkt. Alla som dyker upp på ett sjukhus med bröstsmärtor testas för dessa proteiner, men resultaten kan verka osäkra eftersom proteinerna utsöndras vid olika tidpunkter. Sensorn, som läses med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRI), kan implanteras hos patienter som är kända för att ha hög risk för hjärtinfarkt, vilket gör det mycket lättare för läkare att avgöra om de har haft en.

Alla hans projekt, Cima säger, motiveras av viljan att förbättra sjukvården för patienterna. "Vi gör det här för att vi kan göra lite cool teknik, men ännu viktigare, vi gör det för att det finns ett kliniskt meningsfullt behov, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.