Varje år, det finns cirka 13,3 miljoner nya fall av akut njurskada (AKI), ett allvarligt lidande. Tidigare känd som akut njursvikt, sjukdomen ger en snabb uppbyggnad av kvävehaltigt avfall och minskar urinproduktionen, vanligtvis inom timmar eller dagar efter sjukdomsdebut. Svåra komplikationer uppstår ofta.

AKI är ansvarigt för 1,7 miljoner dödsfall årligen. Att skydda friska njurar från skada och behandla de som redan skadats är fortfarande en betydande utmaning för modern medicin.

I ny forskning som dyker upp i tidskriften Nature Biomedicinsk teknik , Hao Yan och hans kollegor vid University of Wisconsin-Madison och i Kina beskriver en ny metod för att behandla och förebygga AKI. Deras teknik innebär användning av små, självmonterande former som bara mäter en miljarddels meter i diameter.

Den triangulära, rörformiga och rektangulära former är designade och byggda med en metod som kallas DNA-origami. Här, basparningsegenskaperna hos DNA:s fyra nukleotider används för att konstruera och tillverka DNA-origami nanostrukturer (DONs), som självmonterar och företrädesvis ackumuleras i njurarna.

"Det tvärvetenskapliga samarbetet mellan nanomedicin och in vivo-avbildningsteamet under ledning av professor Weibo Cai vid University of Wisconsin-Madison och DNA-nanoteknikteamet har lett till en ny applikation - applicering av DNA-origami nanostrukturer för att behandla akut njurskada, " säger Yan. "Detta representerar en ny horisont för forskning om DNA-nanoteknik."

Experiment som beskrivs i den nya studien - utförda i möss såväl som mänskliga embryonala njurceller - tyder på att DON fungerar som ett snabbt och aktivt njurskydd och kan också lindra symtom på AKI. Fördelningen av DONs undersöktes med positronemissionstomografi (PET). Resultaten visade att de rektangulära nanostrukturerna var särskilt framgångsrika, skydda njurarna från skada lika effektivt som den ledande läkemedelsbehandlingen och lindra en ledande källa till AKI som kallas oxidativ stress.

Studien är den första som utforskar fördelningen av DNA-nanostrukturer i ett levande system med hjälp av kvantitativ avbildning med PET och banar väg för en mängd nya terapeutiska metoder för behandling av AKI såväl som andra njursjukdomar.

"Detta är ett utmärkt exempel på teamvetenskap, med multidisciplinärt och multinationellt samarbete, " Sai Cai. "De fyra forskargrupperna finns i olika länder, men de kommunicerar regelbundet och har synergistisk expertis. De tre lika bidragande förstaförfattarna (Dawei Jiang, Zhilei Ge, Hyung-Jun Im) har också väldigt olika bakgrunder, en inom radiomärkning och bildbehandling, en i DNA-nanostrukturer, och den andra inom klinisk nuklearmedicin. Tillsammans, de drev projektet framåt."

Vital organ

Njurarna spelar viktiga roller i kroppen, ta bort avfall och extra vatten från blodet för att bilda urin. Urin rinner sedan från njurarna till urinblåsan genom urinledarna. Avfall i blodet produceras från normal nedbrytning av aktiva muskler och från livsmedel, som kroppen behöver för energi och självreparation.

Akut njurskada kan variera avsevärt i svårighetsgrad. I avancerad AKI, njurtransplantation krävs liksom stödjande terapier inklusive rehydrering och dialys. Kontrastinducerad AKI, en vanlig form av sjukdomen, orsakas av kontrastmedel som ibland används för att förbättra klarheten i medicinsk bildbehandling. Ett antioxidantläkemedel känt som N-acetylcystein (NAC) används kliniskt för att skydda njurarna från giftiga angrepp under sådana procedurer, men dålig biotillgänglighet av läkemedlet i njurarna kan begränsa dess effektivitet. (För närvarande, det finns inget känt botemedel mot AKI.)

Nanomedicin – konstruktionen av atomer eller molekyler på nanoskala för biomedicinska tillämpningar – representerar en ny och spännande väg för medicinsk utforskning och terapi. Ny forskning inom området har drivit framsteg som leder till förbättrad bildbehandling och terapi för en rad sjukdomar, inklusive AKI, även om användningen av nanomaterial inom levande system för att behandla njursjukdom hittills har varit begränsad.

Basparningsegenskaperna hos nukleinsyror som DNA och RNA möjliggör design av små programmerbara strukturer av förutsägbar form och storlek, kan utföra en mängd uppgifter. Ytterligare, dessa nanoarkitekturer är önskvärda för användning i levande system på grund av deras stabilitet, låg toxicitet, och låg immunogenicitet.

Nya mönster

Den aktuella studien markerar den första undersökningen av DNA-origami nanostrukturer inom levande organismer, använda kvantitativ avbildning för att spåra deras beteende. PET-avbildningen som användes i studien möjliggjorde en kvantitativ och tillförlitlig realtidsmetod för att studera cirkulationen av DONs i en levande organism och för att bedöma deras fysiologiska fördelning. Rektangulära DONs identifierades som det mest effektiva terapeutiska medlet för att behandla AKI hos möss, baserat på PET-analysen.

Yan och hans kollegor förberedde en serie DONs och använde radiomärkning för att studera deras beteende i musnjure, med hjälp av PET-avbildning. PET-skanningarna visade att DONs företrädesvis hade ackumulerats i njurarna hos friska möss såväl som de med inducerad AKI. Av de tre former som användes i experimenten, de rektangulära DON:erna gav den största fördelen när det gäller skydd och terapi och var jämförbara i sin effekt med läkemedlet NAC, anses vara guldstandardbehandlingen för AKI.

Patienter med njursjukdom har ofta åtföljande sjukdomar, inklusive en hög förekomst av hjärt-kärlsjukdomar och maligniteter. Akut njursjukdom kan induceras genom processen med oxidativ stress, som är resultatet av en ökning av syrehaltiga avfallsprodukter som kallas reaktiva syrearter, som orsakar skador på lipider, proteiner och DNA. Detta kan inträffa när den känsliga balansen av fria radikaler och antioxidantförsvar blir destabiliserad, orsakar inflammation och påskyndar utvecklingen av njursjukdom. (Livsmedel och kosttillskott rika på antioxidanter skyddar cellerna från de skadliga effekterna av reaktiva syrearter.)

Skydda njurarna med DNA-geometri

De skyddande och terapeutiska effekterna av de DON som beskrivs i den nya studien beror på nanostrukturernas förmåga att fånga reaktiva syrearter, därigenom isolera sårbara celler från skador på grund av oxidativ stress. Denna effekt studerades i mänskliga embryonala njurcellinjer såväl som i levande möss. Ackumuleringen av nanostrukturerna i både friska och sjuka njurar gav en ökad terapeutisk effekt jämfört med traditionell AKI-terapi. (DONs lindrade oxidativ stress inom 2 timmar efter inkubation med påverkade njurceller.)

Förbättring av AKI-njurfunktionen - jämförbar med högdosadministrering av läkemedlet NAC - observerades efter införandet av nanostrukturer. Undersökning av färgade vävnadsprover bekräftade ytterligare de gynnsamma effekterna av DON i njurarna.

Författarna föreslår flera mekanismer för att förklara persistensen i njurarna av korrekt vikta origami nanostrukturer, inklusive deras resistens mot matsmältningsenzymer, undvikande av immunövervakning och låg proteinabsorption.

Nivåer av serumkreatinin och blodkarbamidkväve (BUN) användes för att bedöma njurfunktionen hos möss. AKI-möss behandlade med rektangulära DONs visade förbättrad njurutsöndringsfunktion jämförbar med möss som fick behandling med huvudläkemedlet NAC.

Ytterligare, teamet etablerade säkerheten för rektangulära DON, utvärdera deras potential att framkalla ett immunsvar hos möss genom att undersöka blodnivåer av interleukin-6 och tumörnekrosfaktor alfa. Resultaten visade att DONs var icke-immunogenetiska och vävnadsfärgning av hjärtat, lever, mjältlungor och njurar avslöjade sin låga toxicitet i primära organ, vilket gör dem attraktiva kandidater för klinisk användning hos människor.

Baserat på effektiv rensning av reaktiva syrearter av DONs i både human njurcellkultur och levande musnjure, studien drar slutsatsen att metoden verkligen kan ge lokaliserat skydd för njurar från AKI och kan till och med erbjuda effektiv behandling för AKI-skadade njurar eller andra njursjukdomar.

Den framgångsrika proof-of-concept-studien utökar potentialen för en ny sort av terapeutiska programmerbara nanostrukturer, konstruerade för att hantera långtgående medicinska utmaningar, från smart läkemedelstillförsel till exakt riktad organ- och vävnadsreparation.