Eine neuartige, auf Nanotechnologie basierende Studie weckt Hoffnung für die Behandlung von akuten Nierenschäden und -versagen.
Die Niere ist ein lebenswichtiges Organ, das kritische Funktionen im Körper erfüllt. Es entfernt Abfallstoffe und zusätzliches Wasser aus unserem Blutkreislauf, um Urin zu produzieren, der dann durch die Harnleiter von den Nieren in die Blase fließt. Diese Abfallstoffe, die in unserem Körper durch den normalen Abbau von Muskeln und Nahrungsmitteln entstehen, müssen entsorgt und effizient ausgeschieden werden.
Im akuten Nierenversagen, jetzt als akute Nierenschädigung (AKI) bezeichnet, bauen sich schnell stickstoffhaltige Abfälle auf und die Urinausscheidung nimmt ab, dh der Körper hat Mühe, Urin zu produzieren. Dies geschieht innerhalb einer kurzen Zeitspanne (Tage oder sogar Stunden) nach dem Einsetzen der Krankheit, was zu ernsthaften Komplikationen führt. Die Hauptursache für AKI ist oxidativer Stress, der durch ein gestörtes Gleichgewicht zwischen freien Radikalen und antioxidativen Abwehrkräften auftritt, die durch die Zunahme sauerstoffhaltiger Abfallprodukte entstehen und so zu Schäden an Lipiden, Proteinen und . führen DNA. Dieses Szenario verursacht eine Entzündung und fördert die Nierenerkrankung. Dann besteht ein hohes Risiko, an Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs zu erkranken. Aus diesem Grund ist bekannt, dass Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel, die reich an Antioxidantien sind, vor schädlichen Auswirkungen sauerstoffhaltiger Abfallprodukte schützen. Wenn die Schwere der Nierenerkrankung fortschreitet, sind unterstützende Therapien wie Rehydratation und Dialyse erforderlich und sogar eine Nierentransplantation kann erforderlich sein. Es gibt keine Heilung für AKI, wodurch es jedes Jahr für Millionen von Todesfällen verantwortlich ist.
Der Schutz und die Behandlung verletzter Nieren bleibt eine enorme Herausforderung in der Medizin. Ein Antioxidans NAC (N-Acetylcystein), das als Goldstandard gilt, wird im Allgemeinen verwendet, um die Nieren während der Verfahren vor Toxizität zu schützen, aber dieses Medikament hat eine schlechte Bioverfügbarkeit und daher eine begrenzte Wirksamkeit.
Nanotechnologie-Ansatz für die Therapie
Die Anwendung der Nanotechnologie in biomedizinischen Verfahren einschließlich der Therapie hat in den letzten Jahrzehnten an Dynamik gewonnen. Aber solche Anwendungen haben bei der Behandlung von Nierenerkrankungen Grenzen gezeigt. Wissenschaftler aus den USA und China haben in einer neuen Studie eine neuartige präventive Methode beschrieben, um AKI zu stoppen und zu behandeln, indem sie Nanotechnologie mit winzigen, sich selbst zusammensetzenden Formen mit einem Durchmesser von nur einem Milliardstel Meter verwenden. Diese Formen wurden mit der Nanotechnologie-Methode namens ' entworfen und entwickelt.DNA Origami' in welcher Basenpaarung von vier DNA nucleotides is used to engineer and fabricate what is called DNA origami nanostructures (DONs). These nanostructures – either triangular, tubular or rectangular in shape – can be then used for performing various tasks inside the body. The architecture of such Nanostrukturen ist ideal für lebende Systeme geeignet, da sie stabil sind und eine geringe Toxizität und Immunogenität aufweisen.
DNA origami nanostructures self-assemble and latch onto different parts of the kidneys and form a protective layer around them. This has been seen when assessing their physiological distribution using quantitative imaging by positron emission tomography (PET). Their study is published in Natur Biomedizintechnik. The group prepared various DNA origami structures and also used Radio labelling to study their behaviour in mouse kidney while analysing them using PET imaging. They were seen to accumulate in kidneys of healthy mice as well those who had AKI.
The study showed how DNA origami nanostructures act as a fast (within only 2 hours) and very active kidney protectant and were also therapeutic in relieving symptoms of AKI. Upon examination of their real-time distribution using PET scan it was see that rectangular nanostructures particularly were most successful in protecting kidneys in the same manner as a standard drug would. These structures track down oxygen-containing waste products and insulate the cells from damage due to oxidative stress. They help maintain balance of free radicals and anti-oxidant defences in and around the kidney reducing and alleviating oxidative stress which is the leading source and symptom of AKI. The measures taken by DONs stop the kidney disease to progress. DONs were tested both on living mice kidney and human embryonic kidney cells. These structures acted as a protective guard and improved kidney function in AKI as effectively as traditional drug therapies particularly NAC drug for AKI.
DNA-Origami-Strukturen waren dauerhaft in den Nieren vorhanden, was nach Ansicht der Autoren auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist, darunter die Resistenz von DONs gegenüber Verdauungsenzymen und deren Vermeidung einer Überwachung des Immunsystems. Physiologisch wurde die Verbesserung der Nierenfunktion durch die Feststellung der Serumkreatinin- und Blutharnstoff-Stickstoffspiegel beurteilt, und es war klar, dass eine signifikante Verbesserung der Nierenausscheidungsfunktion vergleichbar mit der medikamentösen Standardtherapie auftrat.
This multidisciplinary study combines expertise of nanomedicine and in-vivo imaging and is the first ever to investigate distribution of DNA nanostructures in a living system by live tracking their behaviour. DONs have low toxicity in main organs of the body making them ideally suited for clinical use in humans. This modern technology is a strong foundation which can provide localized protection to kidneys from AKI and can be used to design novel therapeutic approaches for treating AKI and other kidney diseases. A solution for kidney diseases could become a reality for patients suffering from acute kidney injury. The study adds to the potential of therapeutic programmable nanostructures which can be used for targeted drug delivery and organ and tissue repair in the body.
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Quelle (n)
Jiang D et al. 2018. DNA origami nanostructures can exhibit preferential renal uptake and alleviate acute kidney injury. Natur Biomedizintechnik. 2(1). https://doi.org/10.1038/s41551-018-0317-8
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