Het is een bekende stijlfiguur in sciencefiction:in vijandelijk gebied, activeer uw verhulapparaat. En echte virussen gebruiken vergelijkbare tactieken om zichzelf onzichtbaar te maken voor het immuunsysteem. Nu hebben wetenschappers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard deze virale tactieken nagebootst om de eerste DNA-nanoapparaten te bouwen die de immuunafweer van het lichaam overleven.

De resultaten maken de weg vrij voor slimme DNA-nanorobots die logica kunnen gebruiken om kanker eerder en nauwkeuriger te diagnosticeren dan artsen vandaag kunnen; medicijnen richten op tumoren, of zelfs ter plekke medicijnen maken om kanker te verlammen, rapporteren de onderzoekers in het online nummer van 22 april van ACS Nano .

"We bootsen virusfunctionaliteit na om uiteindelijk therapieën te bouwen die specifiek op cellen zijn gericht, " zei William Shih, lid van de kernfaculteit van het Wyss Institute, doctoraat, senior auteur van de krant. Shih is ook universitair hoofddocent biologische chemie en moleculaire farmacologie aan de Harvard Medical School en universitair hoofddocent kankerbiologie aan het Dana-Farber Cancer Institute.

Dezelfde verhullingsstrategie zou ook kunnen worden gebruikt om kunstmatige microscopisch kleine containers te maken, protocellen genaamd, die kunnen fungeren als biosensoren om ziekteverwekkers in voedsel of giftige chemicaliën in drinkwater te detecteren.

DNA staat erom bekend dat het genetische informatie bevat, maar Shih en andere bio-ingenieurs gebruiken het in plaats daarvan als bouwmateriaal. Om dit te doen, ze gebruiken DNA-origami - een methode die Shih hielp uitbreiden van 2D naar 3D. Bij deze methode, wetenschappers nemen een lange streng DNA en programmeren het om in specifieke vormen te vouwen, zoals een enkel vel papier wordt gevouwen om verschillende vormen te creëren in de traditionele Japanse kunst.

Het team van Shih assembleert deze vormen om DNA-apparaten op nanoschaal te bouwen die ooit zo complex kunnen zijn als de moleculaire machinerie die in cellen wordt aangetroffen. Bijvoorbeeld, ze ontwikkelen methoden om DNA in te bouwen in kleine robots die hun omgeving voelen, berekenen hoe te reageren, voer dan een nuttige taak uit, zoals het uitvoeren van een chemische reactie of het opwekken van mechanische kracht of beweging.

Dergelijke DNA-nanorobots klinken misschien als sciencefiction, maar ze bestaan ​​al. In 2012 rapporteerden onderzoekers van het Wyss Institute in Science dat ze een nanorobot hadden gebouwd die logica gebruikt om een ​​doelcel te detecteren, onthult vervolgens een antilichaam dat een "zelfmoordschakelaar" activeert in leukemie- of lymfoomcellen.

Voor een DNA-nanoapparaat om met succes een ziekte te diagnosticeren of te behandelen, het moet de afweer van het lichaam lang genoeg overleven om zijn werk te doen. Maar in hun huidige onderzoek ontdekte het team van Shih dat DNA-nanodevices die in de bloedbaan van muizen worden geïnjecteerd, snel worden verteerd.

"Dat bracht ons ertoe te vragen, 'Hoe kunnen we onze deeltjes beschermen tegen het opknappen?'", zei Shih.

De natuur inspireerde de oplossing. De wetenschappers ontwierpen hun nanodevices om een ​​type virus na te bootsen dat zijn genoom beschermt door het in een solide eiwitomhulsel te omsluiten, vervolgens gelaagd op een olieachtige coating die identiek is aan die in membranen die levende cellen omringen. Dat laagje, of envelop, bevat een dubbele laag (dubbellaag) fosfolipide die de virussen helpt het immuunsysteem te ontwijken en ze af te leveren aan het celinterieur.

"We vermoedden dat een virusachtige envelop rond onze deeltjes ons probleem zou kunnen oplossen, ' zei Shih.

Om DNA-nanodevices te coaten met fosfolipide, Steve Perrault, doctoraat, een Wyss Institute Technology Development fellow in de groep van Shih en de hoofdauteur van het artikel, eerst gevouwen DNA in een octaëder ter grootte van een virus. Vervolgens, hij profiteerde van de precisie-ontwerpmogelijkheden van DNA-nanotechnologie, inbouwen van handvatten om lipiden op te hangen, die op zijn beurt de montage van een enkelvoudig dubbellaags membraan rond de octaëder leidde.

Onder een elektronenmicroscoop, de gecoate nanodevices leken sterk op een omhuld virus.

Perrault toonde vervolgens aan dat de nieuwe nanodevices in het lichaam overleefden, door ze te laden met fluorescerende kleurstof, ze in muizen injecteren, en het gebruik van beeldvorming van het hele lichaam om te zien welke delen van de muis gloeiden.

Alleen de blaas gloeide bij muizen die ongecoate nanodevices kregen, wat betekende dat de dieren ze snel afbraken en klaar waren om hun inhoud uit te scheiden. Maar het hele lichaam van de dieren gloeide urenlang toen ze de nieuwe, gecoate nano-apparaten. Hieruit bleek dat nanodevices net zo lang in de bloedbaan blijven als effectieve medicijnen.

De gecoate apparaten ontwijken ook het immuunsysteem. Niveaus van twee immuunactiverende moleculen waren minstens 100 keer lager bij muizen die werden behandeld met gecoate nanodevices in tegenstelling tot niet-gecoate nanodevices.

In de toekomst, verhulde nanorobots kunnen het immuunsysteem activeren om kanker te bestrijden of het immuunsysteem onderdrukken om getransplanteerd weefsel te helpen vestigen.

"Het activeren van de immuunrespons kan klinisch nuttig zijn of iets om te vermijden, "Zei Perrault. "Het belangrijkste punt is dat we het kunnen controleren."

"Patiënten met kanker en andere ziekten zouden enorm gebaat zijn bij nauwkeurige, instrumenten op moleculaire schaal om gelijktijdig zieke weefsels te diagnosticeren en te behandelen, en het duurzaam maken van DNA-nanodeeltjes in het lichaam is een enorme stap in die richting, " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat