in 1900, De Duitse arts Paul Ehrlich kwam met het idee van een 'magische kogel'. Het basisidee is om een ​​patiënt te injecteren met slimme deeltjes die in staat zijn om herkennen, en het behandelen van een ziekte. Sindsdien heeft de geneeskunde de magische kogel achtervolgd.

Russische onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Prokhorov General Physics Institute, RAS, zijn op weg naar dat doel. Onder leiding van Maxim Nikitin van MIPT, het team publiceerde een paper in ACS Nano , een slim materiaal presenteren met unieke eigenschappen, die belofte inhoudt voor uitdrukkelijke DNA-analyse en medicijnen van de volgende generatie tegen kanker en andere ernstige ziekten.

Het afleveren van medicijnen aan de cellen die door een ziekte zijn aangetast, is een belangrijk knelpunt in diagnostiek en therapie. De medicijnen zouden idealiter alleen de pathogene cellen moeten bereiken, zonder de gezonde mensen schade te berokkenen. Er is een reeks markerverbindingen die kankercellen weggeven. Onder deze veelbetekenende moleculen, gevonden op het oppervlak van de aangetaste cellen of in hun micro-omgeving, zijn afvalproducten en die als signalen naar andere cellen worden gestuurd.

Moderne medicijnen vertrouwen op zo'n marker om zieke cellen te identificeren. Echter, het is meestal zo dat gezonde cellen dezelfde markers dragen, zij het in kleinere hoeveelheden. Dit betekent dat de bestaande gerichte medicijnafgiftesystemen niet perfect zijn. Om de medicijnafgifte specifieker te maken, er zijn slimme materialen nodig die in staat zijn om meerdere omgevingsparameters tegelijk te analyseren, het doel met grotere precisie opzoeken.

"De conventioneel gebruikte methoden voor het afleveren van medicijnen zijn als het sturen van een brief met de stad en de straat op de envelop geschreven, maar zonder de huis- en appartementnummers, " hoofdonderzoeker en het hoofd van MIPT's Nanobiotechnology Lab Maxim Nikitin merkte op. "We moeten meer parameters kunnen analyseren om een ​​effectieve levering te garanderen."

Eerder, Nikitin en co-auteurs ontwikkelden nano- en microdeeltjes die in staat zijn om complexe logische berekeningen uit te voeren via biochemische reacties. In hun paper van 2014 in Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers meldden dat hun autonome nanocomputers veel parameters van een doelwit konden analyseren en daarom veel beter waren in het identificeren ervan.

De afgelopen jaren is er veel vooruitgang geboekt op het gebied van biocomputingmaterialen. tegen 2018, honderden en honderden artikelen waren over het onderwerp gepubliceerd. Chemische beoordelingen , het meest gerenommeerde tijdschrift van het veld, publiceerde een overzicht van hedendaagse nanorobotica en biocomputing. De krant, met de ondertitel "Dawn of Theranostic Nanorobots, " is geschreven door onderzoekers van MIPT's Nanobiotechnology Lab en het Biophotonics Lab van het Prokhorov General Physics Institute van de Russian Academy of Sciences (RAS).

Ondanks de inspanningen van talloze onderzoeksteams over de hele wereld die proberen de functionaliteit van biocomputingmaterialen uit te breiden, ze zijn nog steeds niet gevoelig genoeg voor ziektemarkers, praktische toepassingen onmogelijk maken.

De recente paper van het team in ACS Nano markeert een doorbraak op dit gebied. Ze hebben een uniek slim materiaal ontwikkeld dat wordt gekenmerkt door overgevoeligheid voor DNA-signalen. Het is enkele ordes van grootte gevoeliger dan de naaste concurrent. Bovendien, het nieuwe materiaal vertoont een hogere gevoeligheid dan die van de overgrote meerderheid van de momenteel beschikbare expressie-DNA-assays.

De onderzoekers bereikten dat opmerkelijke resultaat nadat ze ontdekten dat DNA-moleculen ongebruikelijk gedrag vertonen op het oppervlak van nanodeeltjes.

In de studie, het ene uiteinde van een enkelstrengs DNA-molecuul was vastgemaakt aan een nanodeeltje. belangrijk, het molecuul had geen haarspelden - dat wil zeggen, dubbelstrengs segmenten waar een deel van de ketting aan zichzelf plakt. Het team rustte het andere uiteinde van de DNA-keten uit met een kleine moleculaire receptor. Tegen de verwachting in, de receptor heeft zijn doel niet gebonden. Na het uitsluiten van een fout, de wetenschappers veronderstelden dat enkelstrengs DNA aan het nanodeeltje zou kunnen kleven en oprollen, verbergt de receptor eronder, op het oppervlak van het deeltje.

De hypothese bleek juist toen het team complementaire enkele DNA-strengen aan hun deeltje toevoegde. De receptor werd onmiddellijk actief, zijn doel binden. Dit gebeurde omdat de bindingen tussen de complementaire nucleotiden ervoor zorgden dat de twee DNA-strengen een stijve dubbele helix vormden, of duplex. Als de tong van een kameleon, de streng ontrold, het blootstellen van de receptor voor doelbinding.

Een dergelijke afwikkeling van de DNA-streng lijkt op die van een moleculair baken. Dit verwijst naar een enkelstrengs DNA waarvan het ene uiteinde een duplex vormt met het andere uiteinde, het opvouwen van de structuur. Een complementaire DNA-streng kan het baken ontvouwen. Echter, er is een belangrijk en nuttig onderscheid. "In tegenstelling tot moleculaire bakens, het ontdekte fenomeen maakt het mogelijk om de kracht van DNA-krulling op het nanodeeltje afzonderlijk af te stemmen van de rechttrekkende kracht van ingevoerd DNA. Dit leidt tot een aanzienlijk betere gevoeligheid voor de invoer, " merkte de eerste auteur van de studie, Vladimir Cherkasov, op, een vooraanstaand onderzoeker bij het Nanobiotechnology Lab, MIPT.

In hun krant de onderzoekers demonstreren middelen die in staat zijn om DNA-concentraties van slechts 30 femtomol (30 miljardsten van een miljoenste mol) per liter te detecteren, zonder DNA en/of signaalversterking. De co-auteur van de studie, Elizaveta Mochalova, een doctoraatsstudent aan het Nanobiotechnology Lab van het MIPT, toegevoegd:"We hebben aangetoond dat de gevoeligheid zo hoog is met een vrij eenvoudige laterale flow-assay, die veel wordt gebruikt in zwangerschapstests. In tegenstelling tot de bestaande DNA-assays, dergelijke tests kunnen worden uitgevoerd buiten een schone laboratoriumomgeving en vereisen geen geavanceerde apparatuur. Dit maakt de technologie zeer geschikt voor snelle screening op infectieziekten, voedsel testende uitrustingen voor huisgebruik, en soortgelijke dingen."

De auteurs van het artikel hebben ook aangetoond dat de technologie toepasbaar is op het ontwerp van slimme nano-agentia die kankercellen zouden herkennen op basis van de concentratie van klein DNA in hun micro-omgeving. Niet lang geleden, Van kleine nucleïnezuren werd gedacht dat het gewoon zinloos afval was dat het resultaat was van de recycling van grotere functionele moleculen. Echter, kleine RNA's bleken de belangrijkste regulatoren te zijn van veel processen in levende cellen. Biologen identificeren momenteel ziektemarkers onder deze RNA's.

"Interessant, hoe kleiner de lengte van het te detecteren nucleïnezuur, hoe concurrerender onze technologie wordt, " Nikitin becommentarieerd. "We kunnen ultragevoelige middelen fabriceren die worden gecontroleerd door goed bestudeerde kleine RNA's die 17 tot 25 basen lang zijn. Echter, als we sequenties nemen die minder dan 10 nucleotiden lang zijn, er zijn gewoon geen technologieën met een vergelijkbare gevoeligheid."

"Wat nog opwindender is, is dat onze methode het mogelijk maakt om de micro-omgeving van cellen te onderzoeken om te bepalen of kortere kleine RNA's nuttige ziektemarkers zijn in plaats van de betekenisloze verbindingen waarvan ze gewoonlijk worden aangenomen vanwege de moeilijkheden bij de detectie, ’ voegde de wetenschapper eraan toe.

De nieuw ontwikkelde technologie biedt perspectief voor genomics, zowel in termen van express point-of-care DNA-assays als voor de ontwikkeling van therapeutische nanomaterialen van de volgende generatie. De afgelopen jaren hebben enorme doorbraken plaatsgevonden op het gebied van genoomonderzoek en -bewerking, maar de nieuwe technologie zou het probleem kunnen oplossen dat nog steeds relevant is:het leveren van medicijnen alleen aan de cellen met een bepaald genetisch profiel in de micro-omgeving.

De onderzoekers zijn van plan hun technologie verder te ontwikkelen. Dit omvat toekomstig werk bij MIPT's onlangs opgerichte Center for Genomic Technologies and Bioinformatics.