През 1900 г. германският лекар Пол Ерлих излага идеята за „магически куршум“. Основната идея е да се инжектира пациент с интелигентни частици, способни да откриват, разпознават и лекуват болести. Оттогава медицината преследва вълшебния куршум.

лекарства

Руските изследователи от Московския физико-технически институт и Общия физически институт на Прохоров, РАН, са постигнали напредък към тази цел. Воден от Максим Никитин от MIPT, екипът публикува статия в ACS Nano (фактор на въздействие: 13.903), представяйки интелигентен материал с уникални свойства, който обещава експресен ДНК анализ и лекарства от ново поколение срещу рак и други сериозни заболявания.

Доставянето на лекарства до клетките, засегнати от заболяване, е основно пречка при диагностиката и терапията. Лекарствата в идеалния случай трябва да достигат само до патогенните клетки, без да навредят на здравите. Съществуват редица маркерни съединения, които раздават раковите клетки. Сред тези издайнически молекули, открити на повърхността на засегнатите клетки или в тяхната микросреда, са отпадъчните продукти и тези, изпратени до други клетки като сигнали.

Съвременните лекарства разчитат на един такъв маркер за идентифициране на болните клетки. Обикновено обаче случаят е, че здравите клетки носят едни и същи маркери, макар и в по-малки количества. Това означава, че съществуващите системи за целенасочена доставка на лекарства не са перфектни. За да се направи доставката на лекарства по-специфична, се изискват интелигентни материали, които могат да анализират множество параметри на околната среда едновременно, търсейки целта с по-голяма точност.

Обичайно използваните методи за доставка на наркотици са като изпращане на писмо с град и улица, написани на плика, но без номерата на къщите и апартаментите. Трябва да можем да анализираме повече параметри, за да гарантираме ефективна доставка. "

Максим Никитин, главен изследовател и ръководител на лабораторията за нанобиотехнологии на MIPT

Преди това Никитин и съавтори са разработили нано- и микрочастици, способни да извършват сложни логически изчисления чрез биохимични реакции. В своя доклад от 2014 г. в Nature Nanotechnology изследователите съобщават, че техните автономни нанокомпютри могат да анализират много параметри на целта и следователно са много по-добри в нейната идентификация.

През последните няколко години се наблюдава много напредък в биокомпютърните материали. До 2018 г. бяха публикувани стотици и стотици статии по темата. Chemical Reviews, най-реномираното списание в областта с импакт фактор 54.301, публикува обзор на съвременната нанороботика и биокомпютър. Документът с подзаглавие "Зората на теранотичните нанороботи" е автор на изследователи от лабораторията за нанобиотехнологии на MIPT и лабораторията по биофотоника на Института за обща физика на Прохоров на Руската академия на науките (RAS).

Въпреки усилията на многобройни изследователски екипи по целия свят, които се опитват да разширят функционалността на биокомпютърните материали, те все още не са достатъчно чувствителни към маркери на болести, което прави невъзможни практически приложения.

Неотдавнашната публикация на екипа в ACS Nano бележи пробив в тази област. Те са разработили уникален интелигентен материал, характеризиращ се със свръхчувствителност към ДНК сигнали. Той е с няколко порядъка по-чувствителен от най-близкия конкурент. Нещо повече, новият материал проявява по-висока чувствителност от тази на по-голямата част от наличните в момента експресни ДНК тестове.

Изследователите постигнаха този забележителен резултат, след като откриха, че молекулите на ДНК проявяват необичайно поведение на повърхността на наночастиците.

В проучването единият край на едноверижната ДНК молекула беше прикрепен към наночастица. Важното е, че молекулата не е имала фиби - т.е., двуверижни сегменти, където част от веригата се придържа към себе си. Екипът екипира другия край на ДНК веригата с малък молекулярен рецептор. Противно на очакванията, рецепторът не свързва целта си. След като изключиха грешка, учените предположиха, че едноверижната ДНК може да се придържа към наночастицата и да се навива, скривайки рецептора под нея, на повърхността на частицата.

Свързани истории

Хипотезата се оказа вярна, когато екипът добави допълнителни единични нишки на ДНК към тяхната частица. Рецепторът моментално се активира, свързвайки целта си. Това се случи, защото връзките между комплементарните нуклеотиди караха двете ДНК вериги да образуват твърда двойна спирала или дуплекс. Подобно на езика на хамелеона, нишката се размотава, излагайки рецептора за свързване с цел.

Такова разгъване на ДНК веригата наподобява това на молекулярния фар. Това се отнася до едноверижна ДНК, чийто единен край образува дуплекс с противоположния край, сгъвайки структурата. Допълнителна верига на ДНК може да разгърне маяка. Има обаче значително и полезно разграничение. "За разлика от молекулярните маяци, откритият феномен позволява настройване на силата на ДНК навиване върху наночастицата отделно от силата на изправяне на входната ДНК. Това води до значително по-добра чувствителност към входа", отбелязва първият автор на изследването Владимир Черкасов, водещ изследовател в лабораторията за нанобиотехнологии, MIPT.

В своя доклад изследователите демонстрират агенти, способни да откриват концентрации на ДНК до 30 фемтомола (30 милиардни от милионната част от мола) на литър, без усилване на ДНК и/или сигнал. Съавторът на изследването Елизавета Мочалова, докторант в лабораторията за нанобиотехнологии на MIPT, добави: "Показахме, че чувствителността е толкова висока с доста прост анализ на страничния поток, който се използва широко в тестовете за бременност. За разлика от съществуващите ДНК анализи, такива тестовете могат да се извършват извън чиста лаборатория и не изискват съвременно оборудване. Това прави технологията подходяща за бърз скрининг на инфекциозни заболявания, комплекти за тестване на храни за домашна употреба и подобни неща. "

Авторите на статията също така показват, че технологията е приложима при проектирането на интелигентни наноагенти, които ще разпознават раковите клетки въз основа на концентрацията на малка ДНК в тяхната микросреда. Не много отдавна се смяташе, че малките нуклеинови киселини са просто безсмислени отломки, произтичащи от рециклирането на по-големи функционални молекули. Малките РНК обаче се оказаха ключови регулатори на много процеси в живите клетки. Понастоящем биолозите идентифицират маркери на заболяванията сред тези РНК.

„Интересното е, че колкото по-малка е дължината на нуклеиновата киселина, която трябва да бъде открита, толкова по-конкурентоспособна става нашата технология“, коментира Никитин. "Можем да произвеждаме ултрачувствителни агенти, контролирани от добре проучени малки РНК, които са с дължина от 17 до 25 бази. Ако обаче вземем последователности с дължина под 10 нуклеотида, просто няма технологии със сравнима чувствителност."

„Още по-вълнуващото е, че нашият метод дава възможност за сондиране на микросредата на клетките, за да се определи дали по-късите малки РНК са полезни маркери на болестта, а не безсмислените съединения, за които обикновено се смята, че се дължат на трудностите при тяхното откриване“, добави ученият.

Новоразработената технология предлага перспективи за геномиката, както по отношение на експресните ДНК анализи на точка на грижа, така и за разработване на терапевтични наноматериали от следващо поколение. През последните години се наблюдават огромни пробиви в изследването и редактирането на генома, но новата технология може да реши проблема, който остава актуален: доставянето на лекарства само до клетките с определен генетичен профил на микросредата.

Изследователите планират да продължат да развиват своята технология. Това включва бъдеща работа в наскоро създадения Център за геномни технологии и биоинформатика на MIPT.