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Wege ebnen für virenähnliche DNA-Nanogeräte, die Krankheiten diagnostizieren und Medikamente herstellen
Die Nanotechnologie ist ein relativ neues, aber schnell wachsendes Gebiet, in dem winzige Geräte und molekulare Werkzeuge aufregende Möglichkeiten zur Manipulation von Zellen und ihren Komponenten bieten. Jetzt haben Forscher, die die Taktiken von Viren kopieren, um das Immunsystem zu umgehen, die ersten Nanogeräte geschaffen, die die Immunabwehr des Körpers überleben. Die Errungenschaft liefert ein Puzzlestück für die Verwendung von Nanogeräten auf zellulärer Ebene.
Wissenschaftler am Harvard-Institut für biologisch inspiriertes Ingenieurwesen in Boston, MA, sagen, dass ihr DNA-Nanogerät ihre erste Pilotmission erfolgreich abgeschlossen hat.
Schreiben in ACS NanoSie schlussfolgern, dass die Leistung "eine Plattform für das Engineering von anspruchsvollen, übersetzungsfähigen DNA-Nanogeräten" bietet.
Solche "intelligenten DNA-Nanoroboter" könnten Logik verwenden, um Krankheiten wie Krebs früher zu diagnostizieren, als es die derzeitigen Ansätze können. Sie könnten Medikamente auch gezielt auf ausgewählte Tumore richten oder sie sogar vor Ort herstellen.
Viren imitieren, um auf bestimmte Zellen zu zielen
Senior-Autor William Shih, Dozent für Biologische Chemie und Molekulare Pharmakologie an der Harvard Medical School, sagt:
"Wir imitieren die Virusfunktionalität, um schließlich Therapeutika zu entwickeln, die spezifisch auf Zellen zielen."
Die Forscher glauben, dass die gleiche Tarnmethode verwendet werden könnte, um künstliche Behälter oder "Protozellen" herzustellen, die Toxine im Trinkwasser oder Krankheitserreger in Lebensmitteln nachweisen könnten.
Die DNA ist hauptsächlich für ihre Rolle als Förderer von genetischer Information bekannt. Aber die Forscher, die hinter dieser neuesten Studie stehen, betrachten sie anders - sie sehen DNA als 3D-Baumaterial. Sie nehmen DNS-Stränge und programmieren sie so, dass sie sich in Formen falten, die an die japanische Papierfaltkunst Origami erinnern.
Insbesondere verwenden sie ihre nanoskaligen Origami-Fähigkeiten, um DNA-Geräte zu erzeugen, die in ihrer Form immer komplexer werden, und nähern sich der Kompliziertheit der molekularen Maschinerie, die in Zellen gefunden wird.
Das Team baut effektiv kleine Roboter aus der DNA. Diese DNA-Nanoroboter haben mehrere Funktionen: Sie können ihre Umgebung wahrnehmen, herausfinden, wie sie reagieren sollen, dann etwas Nützliches tun, wie eine chemische Reaktion auslösen, eine Bewegung ausführen oder eine mechanische Kraft erzeugen.
Solche Geräte sind nicht neu. Zum Beispiel berichteten 2012 Forscher des Wyss-Instituts, wie sie Origami-DNA-Nanoroboter entwickelt haben, die auf Krebszellen abzielen und Anweisungen liefern, die sie zum Selbstmord zwingen.
In diesem Jahr enthüllten Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, wie sie Nanofabriken entwickelten, die Medikamente an Tumorstandorten herstellen könnten. Ihre Nanopartikel produzieren Proteine, wenn ultraviolettes Licht auf sie scheint.
Wie macht man DNA-Nanoroboter für das Immunsystem unsichtbar?
Ein umhüllter Virus (links) überzieht sich als Teil seines Lebenszyklus mit Lipiden. Neue lipidbeschichtete DNA-Nanogeräte (rechts) ähneln diesen Viren sehr stark und entziehen sich der Immunabwehr von Mäusen.
Bildnachweis: Steven Perrault / Harvard's Wyss Institute
Was bisher fehlte, ist jedoch eine Möglichkeit für Nanoroboter, sich dem Immunsystem zu entziehen - oder sich zumindest lange genug davor zu verstecken, um ihre Aufgabe erfüllen zu können. Als Prof. Shih und seine Kollegen Nanoroboter in den Blutkreislauf von Mäusen injizierten, fanden sie ihr Immunsystem schnell und verdauten sie.
Prof. Shih, der auch ein Associate Professor für Krebs-Biologie am Dana-Farber Cancer Institute ist, sagt, dass sie dazu geführt haben zu fragen: "Wie können wir unsere Partikel davor schützen, zerkaut zu werden?"
Sie fanden die Antwort in der Natur. Ein Virus versteckt sich mit Hilfe einer Tarnvorrichtung vor dem Immunsystem des Wirts. Das Virus schützt sein Genom in einer festen Proteinschicht, die von einem öligen Protein bedeckt ist - einer doppelten Phospholipidschicht - identisch mit der in Membranen, die die lebenden Zellen des Wirts umgeben.
Prof. Shih sagt, sie hätten sich gefragt, ob das Einschließen ihres Nanogeräts in eine solche Hülle einen ähnlichen Effekt hätte.
Um zu einer solchen Lösung zu gelangen, falteten sie zunächst die DNA in ein virusgroßes Oktaeder und bauten dann Griffe auf, an denen Lipide gehängt wurden, die dann die Doppelschichtmembran um das Oktaeder herum anordneten.
Mit Lipid-Doppelschicht beschichtete Nanodevices sahen aus wie umhüllte Viren
Das beschichtete Nanogerät sah durch ein Elektronenmikroskop wie ein umhülltes Virus aus.
Die nächste Stufe sollte zeigen, dass das umhüllte Gerät dem Immunsystem ausweichen und im Körper überleben konnte. Dazu wurden die Geräte zuerst mit Farbstoff beladen und dann in Mäuse injiziert. Mithilfe der Ganzkörperbildgebung konnten die Forscher die Nanodevices verfolgen, indem sie beobachteten, welche Teile der Mäuse leuchteten.
Sie färbten und injizierten unbeschichtete Vorrichtungen in eine andere Gruppe von Mäusen. Diese glühten nur im Blasenbereich und zeigten, dass ihr Immunsystem sie schnell aufgebrochen hatte und ihre Körper bereit waren, ihre Überreste auszuscheiden.
Aber die Mäuse, denen injizierte Nanodevices injiziert wurden, erzählten eine andere Geschichte. Ihre ganzen Körper glühten stundenlang und zeigten, dass die Nanogeräte ungefähr genauso lange im Blut waren wie wirksame Medikamente.
Um zu zeigen, dass die umhüllten Geräte auch dem Immunsystem ausgewichen sind, haben die Forscher die Spiegel von zwei immunaktivierenden Molekülen gemessen. Die Spiegel waren 100 Mal höher bei den Mäusen, die unbeschichtete Nanodevices erhielten, im Vergleich zu denen, die beschichtete erhielten.
Die Forscher sehen verhüllte Nanoroboter, die Dinge wie die Aktivierung des Immunsystems zur Bekämpfung von Krebs tun oder sie unterdrücken, um die Abstoßung von transplantiertem Gewebe zu stoppen. Sie sagen, dass der Hauptpunkt in der Lage ist, das Immunsystem zu kontrollieren.
Die National Institutes of Health, das Army Research Office des US Army Research Laboratory und das Wyss Institute der Harvard University steuerten Mittel für die Studie bei.
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