De moderne geneeskunde is grotendeels gebaseerd op de behandeling van patiënten met medicijnen met "kleine moleculen". waaronder pijnstillers zoals aspirine en antibiotica zoals penicilline.

Die medicijnen hebben de levensduur van de mens verlengd en veel levensbedreigende aandoeningen gemakkelijk te behandelen gemaakt, maar wetenschappers geloven dat de nieuwe benadering van medicijnafgifte op nanoschaal nog meer vooruitgang kan bieden. Het afleveren van RNA of DNA aan specifieke cellen biedt de belofte om selectief genen aan of uit te zetten, terwijl apparaten op nanoschaal die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd of geïmplanteerd, artsen in staat kunnen stellen medicijnen gedurende een bepaalde periode op specifieke weefsels te richten.

"Er is een groeiend begrip van de biologische basis van ziekte, en een groeiend begrip van de rol die bepaalde genen spelen bij ziekte, " zegt Daniël Anderson, de Samuel A. Goldblith Associate Professor of Chemical Engineering en een lid van MIT's Institute for Medical Engineering and Science en David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. "De vraag is, 'Hoe kunnen we hiervan profiteren?'"

Onderzoekers in het laboratorium van Anderson, evenals vele anderen aan het MIT, werken aan nieuwe manieren om RNA en DNA af te leveren om een ​​verscheidenheid aan ziekten te behandelen. Kanker is een primair doelwit, maar leveringen van genetisch materiaal kunnen ook helpen bij veel ziekten veroorzaakt door defecte genen, waaronder de ziekte van Huntington en hemofilie. "Er zijn veel genen waarvan we denken dat als we ze gewoon uit of aan zouden kunnen zetten, het kan therapeutisch zijn, ' zegt Anderson.

Een veelbelovende weg is RNA-interferentie (RNAi), een natuurlijk voorkomend proces waarmee cellen hun genexpressie kunnen verfijnen. Korte strengen RNA, siRNA genaamd, onderscheppen en vernietigen boodschapper-RNA voordat het eiwitopbouwende instructies van DNA naar de rest van de cel kan dragen. Wetenschappers hopen dat door hun eigen siRNA te creëren om zich op specifieke genen te richten, ze zullen genen kunnen uitschakelen die ziekte veroorzaken.

Echter, dit potentieel is nog niet gerealiseerd vanwege uitdagingen bij het veilig afleveren van siRNA aan de juiste weefsels en het vermijden van andere weefsels. Het gebruik van virussen is een mogelijkheid, maar is een optie die enkele veiligheidsrisico's met zich meebrengt, zoveel onderzoekers onderzoeken nu synthetische leveringsvehikels voor genetisch materiaal.

Anderson's lab ontwikkelt materialen genaamd lipidoïden, vetmoleculen die strengen siRNA kunnen omhullen en afleveren. Studies hebben aangetoond dat deze materialen effectief RNA kunnen leveren en tumoren bij dieren kunnen verkleinen; MIT-onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling ervan voor menselijke tests. Deze deeltjes kunnen veel RNA-sequenties tegelijk afgeven, waardoor onderzoekers zich op meerdere genen kunnen richten. "Veel van deze ziekten, in het bijzonder kanker, zijn gecompliceerd en vereisen mogelijk het uitschakelen van meerdere genen, of sommige genen uitzetten en sommige genen aanzetten, ' zegt Anderson.

Anderson gebruikt ook een techniek die nucleïnezuurorigami wordt genoemd om DNA en RNA te vouwen tot structuren die geschikt zijn om kankercellen aan te pakken. Nucleïnezuur origami, ontwikkeld in de afgelopen jaren, zorgt voor extreem nauwkeurige controle over de locatie van elk atoom in een structuur - iets dat moeilijk te bereiken is met andere soorten nanodeeltjes, zegt Anderson.

In een onderzoek uit 2012 met muizen, Anderson toonde aan dat gevouwen DNA-nanodeeltjes getagd met folaat zich ophopen in eierstokkankercellen, die veel meer folaatreceptoren op hun oppervlak tot expressie brengen dan gezonde cellen.

Meervoudige benadering

Paula Hammond, de David H. Koch Professor of Engineering en een lid van het Koch Institute, ontwikkelt ook nieuwe materialen voor het afleveren van zowel RNA als traditionele medicijnen. Met behulp van haar laag-voor-laag montagetechniek, ze maakt nanodeeltjes die lagen van meerdere soorten RNA bevatten, of combineer RNA met een chemotherapiemedicijn.

Deze meervoudige aanval zou onderzoekers in staat kunnen stellen behandelingen te ontwerpen die veel van de mogelijke ontsnappingsroutes van tumorcellen afsnijden. "We zijn erg geïnteresseerd in het kijken naar combinaties waarbij RNAi betrokken is, dat het vermogen van cellen om chemotherapie-aanvallen tegen te gaan, neerhaalt, ' zegt Hammond.

Hammonds onderzoek op dit gebied is nu gericht op kanker, maar de aanpak zou zich ook kunnen lenen voor de behandeling van de ontsteking veroorzaakt door infectieziekten, ze zegt. "Met RNAi, de aanpak is redelijk modulair, en als je eenmaal begrijpt welke genen je moet beïnvloeden, je kunt eraan werken om ze te targeten, ' zegt Hammond.

Het laboratorium van Hammond werkt ook aan coatings voor medische apparaten die nuttige medicijnen kunnen afscheiden. hormonen of groeifactoren. Een dergelijk project omvat het coaten van heupimplantaten met lagen die botgroeifactoren afscheiden. In studies met dieren, ze heeft aangetoond dat deze coatings de groei van natuurlijk bot kunnen bevorderen, en sterkere hechting tussen heupimplantaten en het lichaamseigen bot. Als het werk zich vertaalt naar menselijk klinisch gebruik, hierdoor kunnen heupimplantaten langer meegaan en is er minder behoefte aan extra operaties om de implantaten te vervangen.

Hammond werkt ook aan materialen die wondgenezing bevorderen door voorgeprogrammeerde afgifte van groeifactoren uit verband en verband, en op ultradun, transparante coatings voor staarvervangende lenzen die ontstekingsremmende medicijnen afgeven.

Levering en diagnostiek

Michael Cima, de David H. Koch hoogleraar techniek, en Robert Langer, de David H. Koch Instituut Professor, beide leden van het Koch Instituut, werken aan apparaten op nano- en microschaal die in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd om medicijnen vrij te geven of ziekten te diagnosticeren.

Een aantal jaar geleden, Cima en Langer begonnen te werken aan een implanteerbare chip die medicijnen in het lichaam kan afgeven, maar die draadloos van buiten het lichaam wordt aangestuurd. In klinische proeven vorig jaar, het bedrijf dat de chip voor commercieel gebruik ontwikkelde, toonde aan dat het op betrouwbare wijze precieze doses kon leveren van een middel tegen osteoporose dat normaal via injectie wordt toegediend.

Het bedrijf dat de chip ontwikkelt, MicroCHIPS Inc., verkleint nu het apparaat en vergroot het aantal medicijnreservoirs op de chip (de versie die in de proef van vorig jaar werd gebruikt, had 20 van dergelijke putten). Daardoor kan het apparaat voor veel langere perioden worden gebruikt, tot wel 30 jaar, zegt Cima. Dat zou het mogelijk maken om te dienen als een kunstmatige klier, het vrijgeven van hormonen als dat nodig is, hij zegt, vooral als er een sensor zou kunnen worden ingebouwd om de chip te waarschuwen wanneer een dosis moet worden afgegeven.

Zo'n apparaat zou nuttig kunnen zijn voor veel endocriene ziekten. "Ziekten van groei, ontwikkeling en reproductie zijn alle gebieden waar er aanzienlijke onvervulde behoeften zijn, of therapieën die zeer moeilijk uit te voeren zijn, ' zegt Cima.

Cima werkt ook aan diagnostische apparaten die kunnen helpen de tumorrespons op de behandeling te volgen, of detecteren of iemand een hartaanval heeft gehad. Zijn strategie is om tests uit te voeren die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor in-vitrogebruik (waarbij een monster uit het lichaam wordt verwijderd en in een laboratorium wordt getest), en plaats in plaats daarvan het sensorapparaat in het lichaam. Deze diagnostische apparaten zouden worden geïmplanteerd in combinatie met een medische procedure.

Bijvoorbeeld, wanneer kanker wordt vermoed, een biopsie wordt gedaan op een patiënt. Cima ontwikkelt nu apparaten die tijdens de biopsie op de tumorplaats kunnen worden geïmplanteerd en later kunnen worden gebruikt om het zuurstofniveau of de zuurgraad te controleren, beide onthullen belangrijke informatie over hoe de ziekte moet worden behandeld en of de behandeling werkt.

Een andere sensor die hij ontwikkelde, maakt gebruik van magnetische nanodeeltjes, gehuisvest in een schijf van 8 millimeter die in de huid is geïmplanteerd, om drie eiwitten te detecteren die vrijkomen bij een hartaanval. Iedereen die met pijn op de borst naar een ziekenhuis komt, wordt getest op die eiwitten, maar de resultaten kunnen onduidelijk lijken omdat de eiwitten op verschillende tijdstippen worden uitgescheiden. de voeler, die wordt uitgelezen met behulp van magnetische resonantie beeldvorming (MRI), kunnen worden geïmplanteerd bij patiënten waarvan bekend is dat ze een hoog risico lopen op een hartaanval, waardoor het voor artsen veel gemakkelijker wordt om te bepalen of ze er een hebben gehad.

Al zijn projecten, Cima zegt, worden gemotiveerd door de wens om de medische zorg voor patiënten te verbeteren. "We doen dit omdat we coole technologie kunnen doen, maar belangrijker, we doen het omdat er een klinisch betekenisvolle behoefte is, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.