In un importante passo avanti nella nanomedicina, gli scienziati della Arizona State University (ASU), in collaborazione con i ricercatori del National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) dell’Accademia cinese delle scienze, hanno programmato con successo nanorobots per distruggere i tumori tagliando loro la fornitura di sangue.
“Abbiamo sviluppato il primo sistema robotico completamente autonomo, per un disegno farmacologico molto preciso e una terapia antitumorale mirata”, ha affermato Hao Yan, Direttore ASU Biodesign Institute’s Center for Molecular Design and Biomimetics and the Milton Glick Professor in the School of Molecular Sciences.
( vedi anche:La nanomedicina inibisce nei topi la progressione del cancro del pancreas).
” Inoltre, questa tecnologia è una strategia che può essere utilizzata per molti tipi di cancro, dal momento che tutti i vasi sanguigni solidi che alimentano il tumore sono essenzialmente gli stessi”, ha aggiunto Yan.
Lo studio che dimostra il successo della nuova tecnologia, primo nel suo genere nei mammiferi e che utilizza modelli murini di cancro al seno, melanoma, ovarico e cancro del polmone, è stato pubblicato sulla rivista Nature Biotechnology (DOI: 10.1038 / nbt.4071).
Cerca e distruggi
Yan è un esperto nel campo degli origami del DNA e negli ultimi due decenni ha sviluppato la produzione su scala atomica per costruire strutture sempre più complesse.
I mattoni per costruire le strutture della nuova strategia provengono dal DNA che può auto-piegarsi in tutti i tipi di forme e dimensioni — tutti in una scala mille volte più piccola della larghezza di un capello umano — nella speranza di una rivoluzione informatica, elettronica e della medicina, in futuro.
” ..e quel giorno potrebbe arrivare prima del previsto”, ha detto il ricercatore.
La nanomedicina è una nuova branca della medicina che cerca di combinare la promessa della nanotecnologia per aprire nuove vie per trattamenti, come la realizzazione di minuscole nanoparticelle di dimensioni molecolari per diagnosticare e curare malattie difficili, in particolare il cancro.
Fino ad ora, la sfida di avanzamento della nanomedicina è stata difficile perché gli scienziati hanno dovuto progettare, costruire e controllare attentamente i nanorobots per cercare attivamente di distruggere i tumori, senza danneggiare le cellule sane.
Il team internazionale di ricercatori ha superato questo problema utilizzando una strategia apparentemente semplice per cercare in modo molto selettivo di affamare un tumore.
Questo lavoro è stato avviato circa 5 anni fa. I ricercatori dell’NCNST volevano innanzitutto tagliare specificamente l’apporto di sangue al tumore inducendo la coagulazione del sangue con un’elevata efficacia terapeutica e profili di sicurezza, in più tumori solidi usando nanocarrier basati sul DNA. L’esperienza del Prof. Hao Yan ha migliorato il design della nanomedicina in un sistema robotico completamente programmabile, in grado di svolgere la propria missione completamente da solo.
“Questi nanorobots possono essere programmati per trasportare carichi molecolari e causare blocchi di sangue on-site che possono portare alla morte dei tessuti e ridurre il tumore”, ha detto Baoquan Ding, Professore all’NCNST con sede a Pechino, in Cina.
Nanorobot in soccorso
Per eseguire lo studio, gli scienziati hanno approfittato di un modello ben noto di tumore del topo in cui le cellule tumorali umane sono iniettate in un topo per indurre una crescita tumorale aggressiva.
Una volta che il tumore stava crescendo, i nanorobots sono stati dispiegati.
Ogni nanorobot è costituito da un foglio di origami di DNA piatto, rettangolare, di 90 nanometri per 60 nanometri. Un enzima chiave per la coagulazione del sangue, chiamato trombina, è attaccato alla sua superficie.
La trombina può bloccare il flusso sanguigno del tumore coagulando il sangue all’interno dei vasi che alimentano la crescita del tumore, causando una sorta di mini-attacco di cuore e portando alla morte del tessuto tumorale.
In primo luogo, una media di quattro molecole di trombina sono state collegate a uno scaffold di DNA piatto. Successivamente, il foglio piatto è stato ripiegato su se stesso come un foglio di carta in un cerchio per formare un tubo cavo.
I nanorobots sono stati iniettati con una flebo in un topo, quindi hanno viaggiato attraverso il flusso sanguigno, insinuandosi sui tumori.
La chiave per programmare un nanorobot che attacca solo una cellula cancerosa era includere un carico utile speciale sulla sua superficie, chiamato aptamero del DNA. L’aptamero del DNA può specificamente indirizzare una proteina, chiamata nucleolina, che è prodotta in quantità elevate solo sulla superficie delle cellule endoteliali tumorali — e non si trova sulla superficie delle cellule sane.
Una volta legato alla superficie del vaso sanguigno del tumore, il nanorobot è stato programmato, come il famigerato cavallo di Troia per trasportare il suo ignaro carico di farmaco nel cuore stesso del tumore, rilasciando l’enzima chiamato trombina che è la chiave per la coagulazione del sangue.
I nanorobot funzionavano velocemente, riunendosi in grandi quantità per circondare rapidamente il tumore poche ore dopo l’iniezione.
Design sicuro e sano
Innanzitutto, il team ha dimostrato che i nanorobots erano sicuri ed efficaci nel ridurre i tumori.
“Il nanorobot si è dimostrato sicuro e immunologicamente inerte per l’uso in topi normali e, anche nei maiali in miniatura di Bama, non mostrava cambiamenti rilevabili nella normale coagulazione del sangue o nella morfologia cellulare“, ha detto Yuliang Zhao che è anche Professore all’NCNST e scienziato capo del team collaborativo internazionale.
Ancora più importante, non vi è alcuna prova che i nanorobots si diffondono nel cervello dove potrebbero causare effetti collaterali indesiderati, come un ictus.
“I nanorobots sono decisamente sicuri nei normali tessuti dei topi e dei grandi animali”, ha detto Guangjun Nie, un altro Professore dell’NCNST e membro chiave del team collaborativo.
Il trattamento ha bloccato l’irrorazione sanguigna del tumore e generato un danno tissutale tumorale entro 24 ore senza alcun effetto sui tessuti sani. Dopo aver attaccato i tumori, la maggior parte dei nanorobots sono stati eliminati e degradati dal corpo dopo 24 ore.
A due giorni, c’erano prove di trombosi avanzata nei tumori e 3 giorni dopo, sono stati osservati trombi in tutti i vasi tumorali.
La chiave è attivare la trombina solo quando è all’interno dei vasi sanguigni tumorali. Inoltre, nel modello di topo del melanoma, 3 su 8 topi che hanno ricevuto la terapia con nanorobot hanno mostrato una completa regressione dei tumori. Il tempo di sopravvivenza medio è più che raddoppiato, passando da 20,5 a 45 giorni.
I ricercatori hanno anche provato il loro sistema in un test di un modello primario di cancro al polmone nel topo, che imita il decorso clinico umano dei pazienti con cancro del polmone. Hanno mostrato restringimento dei tessuti tumorali dopo un trattamento di 2 settimane.
“La fine dell’inizio della nanomendicina”
Per Yan, l’importante pietra miliare dello studio rappresenta la fine dell’inizio della nanomedicina.
“Il nanorobot che rilascia trombina costituisce un importante progresso nell’applicazione della nanotecnologia del DNA alla terapia del cancro”, ha affermato Yan. “In un modello di topo con melanoma, il nanorobot non solo ha colpito il tumore primario, ma ha anche prevenuto la formazione di metastasi, mostrando un potenziale terapeutico promettente”.
Yan e i suoi collaboratori stanno ora perseguendo attivamente partner clinici per sviluppare ulteriormente questa tecnologia.
“Penso che siamo molto vicini alle applicazioni mediche reali e pratiche della tecnologia”, ha detto Yan. “Combinazioni di diversi nanorobots, razionalmente progettati che trasportano vari agenti possono aiutare a raggiungere l’obiettivo finale della ricerca sul cancro: l’eradicazione di tumori solidi e metastasi vascolarizzate. Inoltre, l’attuale strategia può essere sviluppata come una piattaforma di somministrazione di farmaci per il trattamento di altre malattie“.
Fonte: Nature Biotecnology
