År 1900, Den tyske läkaren Paul Ehrlich kom med idén om en "magisk kula". Grundidén är att injicera en patient med smarta partiklar som kan hitta, känna igen, och behandla en sjukdom. Medicin har förföljt den magiska kulan sedan dess.

Ryska forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik och Prokhorov General Physics Institute, RAS, har gjort framsteg mot det målet. Leds av MIPTs Maxim Nikitin, laget publicerade en artikel i ACS Nano , presentera ett smart material med unika egenskaper, som håller löfte för express-DNA-analys och nästa generations läkemedel mot cancer och andra allvarliga sjukdomar.

Att leverera mediciner till de celler som drabbats av en sjukdom är en stor flaskhals i diagnostik och terapi. Läkemedlen bör helst bara nå de patogena cellerna, utan att skada de friska. Det finns en rad markörföreningar som ger bort cancerceller. Bland dessa avslöjande molekyler, finns på ytan av de drabbade cellerna eller i deras mikromiljö, är avfallsprodukter och de som skickas till andra celler som signaler.

Moderna läkemedel förlitar sig på en sådan markör för att identifiera sjuka celler. Dock, det är vanligtvis så att friska celler bär samma markörer, om än i mindre mängder. Detta innebär att de befintliga riktade läkemedelsleveranssystemen inte är perfekta. För att göra läkemedelstillförseln mer specifik, Det krävs smarta material som kan analysera flera miljöparametrar samtidigt, söka upp målet med större precision.

"De konventionellt använda metoderna för drogleverans är som att skicka ett brev med staden och gatan skrivet på kuvertet, men utan hus- och lägenhetsnummer, " kommenterade huvudutredaren och chefen för MIPT:s nanobiotekniklab Maxim Nikitin. "Vi måste kunna analysera fler parametrar för att säkerställa effektiv leverans."

Tidigare, Nikitin och medförfattare utvecklade nano- och mikropartiklar som kan utföra komplexa logiska beräkningar via biokemiska reaktioner. I deras papper från 2014 i Naturens nanoteknik , forskarna rapporterade att deras autonoma nanodatorer kunde analysera många parametrar för ett mål och därför var mycket bättre på dess identifiering.

De senaste åren har sett många framsteg inom biodatormaterial. Senast 2018, hundratals och hundra artiklar hade publicerats i ämnet. Kemiska recensioner , områdets mest välrenommerade tidning, publicerade en recension av samtida nanorobotik och biodatorer. Pappret, med undertiteln "Dawn of Theranostic Nanorobots, " skrevs av forskare från MIPT:s Nanobiotechnology Lab och Biophotonics Lab vid Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (RAS).

Trots ansträngningar från många forskarlag runt om i världen som försöker utöka funktionaliteten hos biodatormaterial, de är fortfarande inte tillräckligt känsliga för sjukdomsmarkörer, gör praktiska tillämpningar omöjliga.

Den senaste tidningen från laget i ACS Nano markerar ett genombrott på detta område. De har utvecklat ett unikt smart material som kännetecknas av överkänslighet mot DNA-signaler. Den är flera storleksordningar känsligare än den närmaste konkurrenten. Dessutom, det nya materialet uppvisar en högre känslighet än den för de allra flesta för närvarande tillgängliga express-DNA-analyser.

Forskarna uppnådde det anmärkningsvärda resultatet efter att de upptäckt att DNA-molekyler uppvisar ovanligt beteende på ytan av nanopartiklar.

I studien, ena änden av en enkelsträngad DNA-molekyl fästes till en nanopartikel. Viktigt, molekylen hade inga hårnålar – det vill säga, dubbelsträngade segment där en del av kedjan fastnar i sig själv. Teamet utrustade den andra änden av DNA-kedjan med en liten molekylär receptor. Tvärtemot förväntningarna, receptorn band inte sitt mål. Efter att ha uteslutit ett misstag, forskarna antog att enkelsträngat DNA kunde fastna på nanopartikeln och rulla ihop sig, gömmer receptorn under den, på partikelns yta.

Hypotesen visade sig vara rätt när teamet lade till kompletterande enkla DNA-strängar till sin partikel. Receptorn blev omedelbart aktiv, binder sitt mål. Detta hände på grund av att bindningarna mellan de komplementära nukleotiderna fick de två DNA-strängarna att bilda en stel dubbelhelix, eller duplex. Som en kameleont tunga, strängen lindad upp, exponerar receptorn för målbindning.

Sådan upprullning av DNA-strängen liknar den hos en molekylär fyr. Detta hänvisar till ett enkelsträngat DNA vars ena ände bildar en duplex med den motsatta änden, vika ihop strukturen. En komplementär DNA-sträng kan veckla ut fyren. Dock, det finns en betydande och användbar skillnad. "Till skillnad från molekylära beacons, det upptäckta fenomenet gör det möjligt att ställa in kraften hos DNA som krullar på nanopartikeln separat från den uträtande kraften hos inmatat DNA. Detta leder till dramatiskt bättre känslighet för input, " noterade studiens första författare Vladimir Cherkasov, en ledande forskare vid Nanobiotechnology Lab, MIPT.

I deras tidning, forskarna visar medel som kan detektera DNA-koncentrationer så låga som 30 femtomol (30 miljarddels miljondels mol) per liter, utan DNA och/eller signalamplifiering. Studiens medförfattare Elizaveta Mochalova, en doktorand vid MIPT:s Nanobiotechnology Lab, tillade:"Vi visade att känsligheten var så hög med en ganska enkel sidoflödesanalys, som används flitigt vid graviditetstester. Till skillnad från befintliga DNA-analyser, sådana tester kan utföras utanför en ren laboratoriemiljö och kräver ingen avancerad utrustning. Detta gör tekniken väl lämpad för snabb screening av infektionssjukdomar, mattestsatser för hemmabruk, och liknande saker."

Författarna till uppsatsen har också visat att tekniken är tillämpbar för design av smarta nanoagenter som skulle känna igen cancerceller baserat på koncentrationen av litet DNA i deras mikromiljö. Inte så länge sedan, små nukleinsyror ansågs bara vara meningslösa skräp som härrör från återvinning av större funktionella molekyler. Dock, små RNA visade sig vara nyckelregulatorer för många processer i levande celler. Biologer identifierar för närvarande sjukdomsmarkörer bland dessa RNA.

"Intressant, ju mindre längd av nukleinsyran som ska detekteras, ju mer konkurrenskraftig vår teknik blir, ", kommenterade Nikitin. "Vi kan tillverka ultrakänsliga medel som kontrolleras av väl studerade små RNA som är 17 till 25 baser långa. Dock, om vi tar sekvenser som är mindre än 10 nukleotider långa, det finns helt enkelt inga teknologier med jämförbar känslighet."

"Vad som är ännu mer spännande är att vår metod gör det möjligt att sondera cellers mikromiljö för att avgöra om kortare små RNA är användbara sjukdomsmarkörer snarare än de meningslösa föreningar som de vanligtvis anses vara på grund av svårigheterna med att upptäcka dem, ", tillade forskaren.

Den nyutvecklade tekniken erbjuder möjligheter för genomik, både när det gäller express-point-of-care DNA-analyser och för att utveckla nästa generations terapeutiska nanomaterial. De senaste åren har sett enorma genombrott inom genomforskning och redigering, men den nya tekniken skulle kunna lösa problemet som fortfarande är relevant:att leverera läkemedel endast till celler med en speciell genetisk mikromiljöprofil.

Forskarna planerar att fortsätta utveckla sin teknik. Detta inkluderar framtida arbete vid MIPT:s nyligen inrättade Center for Genomic Technologies and Bioinformatics.