Nanorobôs na luta contra o câncer programados para buscar e destruir tumores

Estudo mostra as primeiras aplicações de origami de DNA para nano medicina

Em um grande avanço na nanomedicina, os cientistas da Universidade do Estado do Arizona (ASU), em colaboração com pesquisadores do Centro Nacional de Nanociências e Tecnologia (NCNST), da Academia Chinesa de Ciências, programaram com sucesso nanorobôs para encolher tumores cortando seu fornecimento de sangue.

“Nós desenvolvemos o primeiro sistema de robótica de DNA totalmente autônomo para um design de drogas muito específico e terapia de câncer direcionada”, disse Hao Yan, diretor do Centro de Design Molecular e Biomiméticos do Instituto de Design Biológico da ASU e Professor Milton Glick na Escola de Molecular Ciências.

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“Além disso, essa tecnologia é uma estratégia que pode ser usada para muitos tipos de câncer, já que todos os vasos sanguíneos sólidos de alimentação de tumores são essencialmente os mesmos”, disse Yan.

A demonstração bem sucedida da tecnologia, o estudo primeiro em seu tipo em mamíferos utilizando modelos de câncer de mama, melanoma, ovário e câncer de pulmão, foi publicado na revista Nature Biotechnology.

Procurar e destruir

Yan é um especialista em campo de origami de DNA, que nas últimas duas décadas, desenvolveu fabricação em escala atômica para construir estruturas cada vez mais complexas. Os tijolos para construir suas estruturas provêm do DNA, que pode se dobrar em todos os tipos de formas e tamanhos, tudo em uma escala mil vezes menor do que a largura de um cabelo humano, com a esperança de um dia revolucionar a computação, Eletrônica e medicina. Que um dia pode chegar um pouco mais rápido do que o previsto.

A nanomedicina é um novo ramo da medicina que procura combinar a promessa da nanotecnologia para abrir caminhos inteiramente novos para tratamentos, como fazer nanopartículas minúsculas e de tamanho molecular para diagnosticar e tratar doenças difíceis, especialmente câncer.

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Até agora, o desafio de promover a nanomedicina tem sido difícil porque os cientistas queriam projetar, construir e controlar cuidadosamente os nanorobôs para buscar ativamente e destruir tumores cancerígenos, sem prejudicar células saudáveis.

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A equipe internacional de pesquisadores superou esse problema usando uma estratégia aparentemente simples para buscar e morrer de forma muito seletiva um tumor. Este trabalho foi iniciado há cerca de 5 anos. Os pesquisadores da NCNST primeiro queriam cortar especificamente o suprimento de sangue do tumor induzindo a coagulação do sangue com alta eficácia terapêutica e perfis de segurança em múltiplos tumores sólidos usando nanocarregadores à base de DNA.

A experiência do Prof. Hao Yan atualizou o design da nanomedicina para ser um sistema robótico totalmente programável, capaz de desempenhar sua missão inteiramente por conta própria. “Estes nanorobots podem ser programados para transportar cargas úteis moleculares e causar bloqueios no fornecimento de sangue no local, o que pode levar à morte no tecido e encolher o tumor”, disse Baoquan Ding, professor da NCNST, localizado em Pequim, na China.

Nanorobôs ao resgate

Para realizar seu estudo, os cientistas aproveitaram um modelo de tumor de rato bem conhecido, onde as células de câncer humano são injetadas para induzir o crescimento agressivo do tumor. Uma vez que o tumor estava crescendo, os nanorobôs foram implantados para chegar ao resgate.

Cada um deles é feito a partir de uma folha de origami de DNA plana e retangular com 90 por 60 nanômetros de tamanho. Uma enzima chave de coagulação sanguínea, chamada trombina, é anexada à superfície. A trombina pode bloquear o fluxo sanguíneo do tumor coagulando o sangue dentro dos vasos que alimentam seu crescimento, causando uma espécie de mini ataque cardíaco, levando à morte do tecido tumoral.

Primeiro, uma média de quatro moléculas de trombina foi anexada a um andaime de DNA plano. Em seguida, a folha plana foi dobrada sobre si mesma como uma folha de papel em um círculo para fazer um tubo oco. Eles foram injetados em um rato, depois viajaram pela corrente sanguínea, seguindo os tumores.

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A chave para a programação de um nanorobô que só ataca uma célula cancerígena foi incluir uma carga útil especial na sua superfície, chamada aptamer de DNA. Ele poderia direcionar especificamente uma proteína, chamada nucleolina, que é feita em grandes quantidades apenas na superfície das células endoteliais do tumor, e não encontrada na superfície de células saudáveis.

Uma vez ligado à superfície do vaso sanguíneo do tumor, o nanorobô foi programado, como o cavalo de Tróia notório, para entregar a sua carga de droga inocente no próprio coração do tumor, expondo uma enzima chamada trombina que é a chave para a coagulação do sangue.

Os nanorobôs trabalharam rápido, congregando-se em grande número para cercar o tumor logo após a injeção.

Design seguro e sério

Em primeiro lugar, a equipe mostrou que os nanorobôs eram seguros e efetivos na redução de tumores. “O nanorobô provou ser seguro e imunologicamente inerte para uso em camundongos normais e também em porcos em miniatura, não mostrando alterações detectáveis ​​na coagulação sanguínea normal ou na morfologia celular”, disse Yuliang Zhao, também professor da NCNST e cientista principal da equipe colaborativa internacional.

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Mais importante ainda, não havia evidências de que os nanorobôs se espalhassem para o cérebro, onde poderia causar efeitos colaterais indesejáveis, como um acidente vascular cerebral. “Os nanorobôs são decididamente seguros nos tecidos normais de camundongos e animais grandes”, disse Guangjun Nie, outro professor da NCNST e um membro-chave da equipe colaborativa.

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O tratamento bloqueou o suprimento de sangue do tumor e gerou danos no tecido tumoral em 24 horas sem ter efeito em tecidos saudáveis. Depois de atacar os tumores, a maioria dos nanorobôs se degradaram no corpo após 24 horas. Por dois dias, houve evidência de trombose avançada e 3 dias, observaram-se trombos em todos os vasos tumorais.

A chave é desencadear a trombina apenas quando está dentro dos vasos sanguíneos do tumor. Além disso, no modelo de melanoma do rato, 3 dos 8 camundongos que receberam a terapia com nanorobô apresentaram regressão completa dos tumores. O tempo médio de sobrevivência mais do que duplicou, passando de 20,5 a 45 dias.

Eles também testaram seu sistema em um teste de um modelo primário de câncer de pulmão de ratos, que imita o curso clínico humano de pacientes com câncer de pulmão. Eles apresentaram encolhimento de tecidos tumorais após um tratamento de 2 semanas.

A ciência do muito pequeno que cresce

Para Yan, o importante marco de estudo representa o fim do início da nanomedicina. “O nanorobô de DNA de entrega de trombina constitui um grande avanço na aplicação da nanotecnologia de DNA para a terapia do câncer”, disse Yan. “Em um modelo de melanoma de rato, o nanorobô não só afetou o tumor primário, mas também impediu a formação de metástases, mostrando potencial terapêutico promissor”.

Yan e seus colaboradores agora estão buscando ativamente parceiros clínicos para desenvolver esta tecnologia.

“Eu acho que estamos muito mais perto de aplicações médicas reais e práticas da tecnologia”, disse Yan. “As combinações de diferentes nanorobôs racionalmente projetados com vários agentes podem ajudar a atingir o objetivo final da pesquisa sobre câncer: a erradicação de tumores sólidos e metástases vascularizadas. Além disso, a estratégia atual pode ser desenvolvida como uma plataforma de fornecimento de drogas para o tratamento de outras doenças por meio de modificação da geometria das nanoestruturas, dos grupos de segmentação e das cargas carregadas”.

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Referências:

1. Suping Li, Qiao Jiang, Shaoli Liu, Yinlong Zhang, Yanhua Tian, Chen Song, Jing Wang, Yiguo Zou, Gregory J Anderson, Jing-Yan Han, Yung Chang, Yan Liu, Chen Zhang, Liang Chen, Guangbiao Zhou, Guangjun Nie, Hao Yan, Baoquan Ding, Yuliang Zhao. Um nanorobô de DNA funciona como um tratamento terapêutico de câncer em resposta a um gatilho molecular in vivo. Nature Biotechnology, 2018; DOI: 10.1038/nbt.4071

Fonte: Universidade Estadual do Arizona. (2018, 12 de fevereiro). Nanorobôs de luta contra o câncer programados para buscar e destruir tumores: o estudo mostra as primeiras aplicações de origami de DNA para a nanomedicina. ScienceDaily. Recuperado em 13 de fevereiro de 2018 de www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180212112000.htm