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Nanorobotik – eine intelligentere und gezieltere Methode zur Bekämpfung von Krebs

INGENIEURWISSENSCHAFTENNanorobotik – eine intelligentere und gezieltere Methode zur Bekämpfung von Krebs

In einer aktuellen Studie haben Forscher zum ersten Mal ein vollständig autonomes nanorobotisches System entwickelt, das gezielt auf Krebs abzielt

In einem bedeutenden Fortschritt in der Nanomedizin, dem Bereich, der Nanotechnologie mit Medizin verbindet, haben Forscher neue Wege der therapeutischen Behandlung mit sehr kleinen Nanopartikeln in Molekülgröße (Maschinen oder Roboter, die nahe an der mikroskopischen Skala von 10–9 m Nanometer liegen) entwickelt Ziel Krebs, in dieser bemerkenswerten Studie veröffentlicht in Nature Biotechnology.

DNA-Origami-Nanobot: der magische Transporter

DNA Origami ist ein Prozess, bei dem eine DNA im Nanobereich gefaltet wird und zum Aufbau aktiver Strukturen in kleinsten Skalen verwendet wird (Origami wie in der Kunst des Papierfaltens). DNA ist ein großartiger Informationsspeicher und daher können daraus aufgebaute Strukturen als Informationsträger verwendet werden. Im Einklang mit dieser Fähigkeit sind diese DNA Nanopartikel (oder 'DNA-Nanoroboter' oder 'Nanoroboter' oder einfach 'Nanobots') können Ladungen im kleinsten Maßstab für bestimmte Aufgaben im menschlichen Körper bewegen und heben und sind somit für viele geeignet Nanoroboter Anwendungen.Die Größe eines solchen Nanobots ist 1000-mal kleiner als eine einzelne menschliche Haarsträhne. Dieses Gebiet der Nanorobotik war in den letzten zwei Jahrzehnten voller Aufregung und viele Experten haben sich auf die Entwicklung solcher nanoskaliger Strukturen auf der Grundlage von DNA konzentriert, die sich in alle möglichen Formen und Größen falten können, um die Medizin, insbesondere die Therapie und die Wirkstoffabgabe, zu revolutionieren.

Die Nanoroboter-Technologie ist mittlerweile weit verbreitet und hat bereits Bereiche wie die medizinische Bildgebung, Geräte, Sensoren, Energiesysteme und auch die Medizin revolutioniert. In der Medizin haben Nanobots erhebliche Vorteile, vor allem, weil sie keine schädlichen Aktivitäten erzeugen, keine möglichen Nebenwirkungen haben und sehr spezifisch sind, an welcher Stelle im Körper sie angreifen und operieren. Die anfänglichen Kosten für die Entwicklung von Nanorobotern mögen hoch sein, aber die Herstellung, wenn sie mit der herkömmlichen Methode der Stapelverarbeitung erfolgt, reduziert die Kosten in hohem Maße. Darüber hinaus macht die winzige Größe der Nanoroboter sie ideal für die Bekämpfung von Bakterien und Viren. Außerdem kann ein winziger Nanoroboter sehr einfach in den Körper injiziert werden und schwebt leicht durch das Blut (das Kreislaufsystem) und hilft dabei, die Probleme zu erkennen und zu behandeln. Nanobots haben in der Krebsforschung eine große Bedeutung erlangt, da sie eine schmerzfreie Alternative zur sonst sehr belastenden Chemotherapie sein können, die den Patienten sehr persönlich und finanziell belastet. Chemotherapie ist nicht nur eine harte Methode zur Behandlung von Krebs, sondern neben dem Angriff auf die Krebszellen hinterlässt das Verfahren mehrere Nebenwirkungen im ganzen Körper. Die Wissenschaft konnte jedoch keine neue Alternative zur Chemotherapie zur Behandlung dieser lebensbedrohlichen Krankheit namens Krebs entdecken. Nanobots haben das Potenzial, dieses Szenario in den kommenden Jahren zu ändern, indem sie eine effizientere, intelligentere und gezieltere Alternative zur Bekämpfung von Krebs darstellen.

Krebs gezielt bekämpfen

In dieser aktuellen Studie wurde eine Zusammenarbeit zwischen der Arizona State University, USA, und dem National Center for Nano Science and Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking haben Forscher erfolgreich automatisierte Nanobots entwickelt, gebaut und sorgfältig gesteuert, um aktiv Krebstumore im Körper zu suchen und präzise zu zerstören – ohne dabei gesunde Zellen zu schädigen. Sie überwanden mehrere Herausforderungen, die Nanowissenschaftler seit über zwei Jahrzehnten plagen, indem sie eine sehr einfache und unkomplizierte Strategie entwickelt und angewendet haben, um den Tumor zu suchen und zu zerstören. Die Strategie bestand darin, die Blutzufuhr in einer Tumorzelle gezielt abzuschneiden, indem mit DNA-basierten Nanobots eine Blutgerinnung in die Tumorzelle eingeleitet wird. Also dachten sie an etwas scheinbar Einfaches – ein wichtiges Blutgerinnungsenzym (genannt Thrombin) an der Oberfläche des flachen, nanoskaligen DNA-Origami-Nanobots anzubringen. An der flachen Oberfläche des DNA Origami-Blatt der Größe 90nm mal 60nm. Dieses flache Blatt wurde wie ein Blatt Papier gefaltet, wodurch die Nanobots in die Form einer hohlen Röhre geformt wurden. Diese Nanobots wurden in eine Maus injiziert (die mit aggressivem Tumorwachstum induziert wurde), sie reisten durch den Blutkreislauf und erreichten und binden sich an ihr Ziel – die Tumore. Anschließend wird die Fracht des Nanobots – das Enzym Thrombin – abgegeben, wodurch der Tumorblutfluss blockiert wird zur Blutgerinnung in den Gefäßen, die das Tumorwachstum fördern, was zur Zerstörung des Tumorgewebes oder zum Zelltod führt. Dieser gesamte Prozess läuft interessanterweise sehr schnell ab und die Nanobots umgeben den Tumor innerhalb von Stunden nach der Injektion. Hinweise auf eine fortgeschrittene Thrombose wurden in allen Tumorzellen nach 36 Stunden Injektion beobachtet.

Darüber hinaus haben die Autoren auch darauf geachtet, eine spezielle Nutzlast auf der Oberfläche des Nanobots (ein sogenanntes DNA-Aptamer) einzubringen, die spezifisch auf ein Protein namens Nukleolin abzielt, das in großen Mengen nur auf der Oberfläche von Tumorzellen hergestellt wird, und so die Reduzierung die Wahrscheinlichkeit, dass Nanobots die gesunden Zellen jemals angreifen, auf Null. Diese Nanobots reduzierten und töteten nicht nur die Tumorzellen, sondern verhinderten auch Metastasen – sekundäres Krebswachstum an einer entfernten Stelle.

Sicherheit und Wirksamkeit

Die Autoren betonen, dass Nanobots für die Anwendung bei Mäusen und sogar Schweinen sicher und immunologisch inaktiv sind und die Verwendung von Nanobots keine Veränderungen der normalen Blutgerinnung an anderer Stelle oder der Zellstruktur oder irgendeines Breechinto des Gehirns zeigte. Daher wurden sie als sicher und wirksam bezeichnet, um Tumore gezielt zu bekämpfen und zu verkleinern, ohne irgendwelche unerwünschten Nebenwirkungen. Bei den meisten Nanobots wurde auch festgestellt, dass sie sich nach 24 Stunden abbauen und aus dem Körper verschwinden. Obwohl die Nanobots in einem „replizierenden Nanobots“-Modell entworfen werden könnten, was verständlich ist, um die Kosten niedrig zu halten, da einige Kopien hergestellt werden und andere Nanobots selbst generiert werden, ist es klar, dass ein solcher Ansatz nur unter besonderen Umständen angewendet werden sollte . Auch in der Medizin muss ein narrensicherer Notausschalter vorhanden sein, um extreme Umstände in Schach zu halten. Gesetzliche Behörden müssen Regelungen treffen, um einen Missbrauch von Nanobots in der Medizin zu verhindern, zum Beispiel Nanobots mit Waffen. Unter Berücksichtigung aller Faktoren bringt uns die Wirksamkeit von Nanobots an einen Punkt, an dem sie nicht zu übersehen sind und der Blick auf ihr Potenzial Nanobots in Zukunft ein wesentlicher Bestandteil der Medizin sein werden.

Ein ähnlicher Ansatz könnte am Menschen angewendet werden, da die Autoren gezeigt haben, dass dieses System auch an einem primären Maus-Lungenkrebsmodell getestet wurde – das den klinischen Verlauf der Lunge beim Menschen nachahmt Krebs Patienten- und zeigte nach einer zweiwöchigen Behandlung eine Rückbildung des Tumors. Diese Studien wurden auch an Mäusen durchgeführt, und innerhalb von zwei Wochen wurde bei den Tieren eine ähnliche nachweisbare Wirkung auf Brustkrebs, Melanom, Eierstock- und Lungenkrebs beobachtet. Die Studie muss jedoch am Menschen durchgeführt werden, um die Plausibilität ähnlicher Ergebnisse zu bestätigen, und es müssen robuste klinische Studien durchgeführt werden, um dies zu erreichen.

Ein sehr intelligenter und gezielter Weg, um Krebs zu bekämpfen

Eine der großen Herausforderungen in der Krebstherapie besteht darin, die Krebstumorzellen sorgfältig und korrekt von den normalen, gesunden Körperzellen zu unterscheiden. Der konventionelle Ansatz, Tumorzellen zu drücken und abzutöten – Chemotherapie und Strahlentherapie – scheitert daran, die Tumorzellen selektiv zu bekämpfen, ohne mit den normalen Körperzellen zu interagieren. Somit neigen Chemotherapie und auch Strahlentherapie dazu, schwere Nebenwirkungen zu verursachen, sowohl kleinere als auch größere, einschließlich Organschäden, die zu einer sehr beeinträchtigten Behandlung von Krebs und damit zu niedrigen Überlebensraten der Patienten führen. Nanobots wie die in dieser Studie beschriebenen sind die ersten ihrer Art bei Säugetieren, die sehr stark und effektiv darin sind, Tumorzellen zu identifizieren und ihr Wachstum und ihre Vermehrung zu verringern. Dieses DNA-Robotersystem kann zur präzisen und gezielten Krebstherapie bei vielen Krebsarten eingesetzt werden, da alle Blutgefäße, die solide Tumore ernähren, im Wesentlichen gleich sind.

Diese Forschung hat den Weg für die Zukunft geebnet, um mithilfe des technologischen Fortschritts praktische medizinische Lösungen zu denken und zu planen. Oberstes Ziel der Krebsforschung ist die erfolgreiche Ausrottung solider Tumoren ohne schwerwiegende Nebenwirkungen und reduzierte Metastasierung. Wenn wir uns diese Studie ansehen, sehen wir große Hoffnungen für die Zukunft, in der diese aktuelle Strategie ideal sein könnte, um das ultimative Ziel der Krebsbekämpfung zu erreichen. Und nicht nur Krebs, diese Strategie könnte auch als Drug Delivery-Plattform für die Behandlung vieler anderer Krankheiten entwickelt werden, da der Ansatz einfach darin besteht, die Struktur von Nanobots zu modifizieren und geladene Ladungen zu verändern. Außerdem können uns Nanobots helfen, die Komplexität des menschlichen Körpers und Gehirns besser zu verstehen. Dies wird auch dazu beitragen, schmerzfreie und nicht-invasive Operationen durchzuführen, selbst die kompliziertesten. An dieser Stelle könnten Nanobots aufgrund ihrer Größe auch durch die Gehirnzellen surfen und alle relevanten Informationen für die weitere Forschung generieren. In Zukunft, sagen wir in zwei Jahrzehnten, könnte eine einzige Injektion eines Nanobots in der Lage sein, Krankheiten vollständig zu heilen.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Li S et al 2018. Ein DNA-Nanoroboter fungiert als Krebstherapeutikum als Reaktion auf einen molekularen Auslöser in vivo. Nature Biotechnologyhttps://doi.org/10.1038/nbt.4071

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