(Phys.org) – Forskare från University of Florida har utvecklat ett "DNA-nanotåg" som snabbar upp sin nyttolast av cancerbekämpande läkemedel och bioavbildningsmedel till tumörceller djupt inne i kroppen. Nanotågets förmåga att kostnadseffektivt leverera höga doser av läkemedel till exakt riktade cancerformer och andra medicinska sjukdomar utan att lämna efter sig giftigt nano-röra har varit den svårfångade heliga gralen för forskare som studerar den pyttelilla världen av DNA-nanoteknik.
DNA-nanoteknik lovar mycket som ett nytt sätt att leverera kemoterapi direkt till cancerceller, men tills nu, forskare har inte kunnat styra nanoterapier för att konsekvent skilja cancerceller från friska. Andra begränsande faktorer inkluderar höga kostnader, för små mängder av läkemedel och potentiella toxiska biverkningar.
"Det mesta av nanoteknik bygger på en nanopartikelstrategi, och partiklarna är gjorda av oorganiska material; efter att de har använts som bärare för drogen, de kommer att vara kvar i kroppen, " sa studiens ledande utredare, Weihong Tan, en UF framstående professor i kemi, professor i fysiologi och funktionell genomik, och en medlem av UF Shands Cancer Center och UF Genetics Institute. "Jämfört med befintliga nanostrukturer, vårt nanotåg är enklare och billigare att tillverka, är mycket specifik för cancerceller, har mycket läkemedelsladdningskraft och är mycket biokompatibel."
Beskrivs i dagens nummer av Proceedings of the National Academy of Sciences , Tans DNA-nanotåg är en tredimensionell struktur som består av korta DNA-strängar som är sammanbundna till ett långt tåg. I slutet av nanotåget finns en aptamer, en liten bit nukleinsyra som fungerar som tågets "lokomotiv" på biokemisk autopilot för att komma in på och binda till specifika cancerceller. Efterföljande är bundna DNA-strukturer som fungerar sida vid sida, lådbilar med hög kapacitet, "transportera bioavbildningsmedel eller läkemedelslaster till sina mål.
"Det fina med nanotåget är att genom att använda olika sjukdomsbiomarkörer kan du koppla olika typer av DNA-sonder som tågets "lokomotiv" för att känna igen och rikta in sig på olika typer av cancer, " sa Tan. "Vi har riktat oss mot leukemi, lung- och levercancerceller, och för att DNA-sonderna är
så exakt när det gäller att bara rikta in sig på specifika typer av cancerceller har vi sett en dramatisk minskning av läkemedelstoxicitet i jämförelse med vanliga kemoterapier, som inte gör skillnad mellan cancerceller och friska celler."
Tan och hans kollegor rapporterar att DNA-nanotågen kan göras kostnadseffektivt genom att blanda bitar av DNA i ett flytande medium. Blandningen exponeras sedan för en förening som stimulerar DNA-bitarna att söka upp varandra och självmontera till DNA-nanotågen. Vilken typ av cancercell som DNA-nanotåget kommer att söka upp och förstöra bestäms av den specifika förening som läggs till blandningen som utlösare.
Studien visade in vitro och i möss att DNA-nanoträn uteslutande riktar sig mot de cancerceller som deras sönder var programmerade för. DNA-sonderna går direkt till cancercellerna, leder till att nanotågen dockar på cellmembranen och tar sig in i cellerna. Väl inne, drognyttolasten skingras, dödar cancercellerna, en process som Tan och hans team övervakade i realtid genom att mäta mängden fluorescerande ljus som sänds ut. De biologiskt nedbrytbara komponenterna i DNA-nanotågen sönderfaller med de döda cancercellerna och avlägsnas av kroppens normala hushållsmekanismer.
"Vår studie fann att när den var laddad med läkemedel mot cancer, dessa nanoträn hämmade tumörtillväxt hos möss mer än hos de som fick läkemedel som fritt injicerades i blodomloppet. Vad som är mer spännande är att mössen som behandlats med dessa nanoträn drabbades av dramatiskt färre biverkningar än de som behandlades med fria läkemedel, sa Guizhi Zhu, en UF-doktorand som varit avgörande i studien. "Detta är vad vi siktar på att uppnå för framtida klinisk hälsovård av cancerpatienter."
Förutom längre överlevnad och hämmad tumörtillväxt, mössen som behandlades med nanotrain-läkemedelsleverans upplevde mindre viktminskning och är i bättre kondition fysiskt än både mössen som fick injicerad terapi och muskontrollgruppen som inte fick någon behandling. Tan och hans team tillskriver dessa förbättrade resultat avsevärt minskad toxicitet som uppnåtts av den riktade nanotrain-läkemedlets leverans.
"Vi tror att vi har visat att dessa DNA-nanotrains är en lovande riktad läkemedelstransportplattform för leverans av cancerkemoterapeutika med mycket låg toxicitet till friska vävnader, och att plattformen har bred tillämpning för många olika cancertyper, "Sade Tan. "Gå framåt, vi arbetar för att identifiera optimal dos med hjälp av musmodeller för T-cellsleukemi, lung- och levercancer och trippelnegativ bröstcancer.
"Det är väldigt spännande, men vi har fortfarande en lång väg kvar innan mänskliga prövningar, " han sa.
