최근 연구에서 연구원들은 암을 표적으로 하는 완전 자율 나노 로봇 시스템을 처음으로 개발했습니다.
나노기술과 의학을 결합한 분야인 나노의학(nanomedicine)의 주요 발전에서 연구자들은 매우 작은 분자 크기의 나노입자(나노미터의 미세한 규모에 가까운 기계 또는 로봇)를 사용하여 새로운 치료 방법을 개발했습니다. 표적 암, 에 발표된 이 놀라운 연구에서 자연 생명 공학.
DNA 종이접기 나노봇: 매직 트랜스포터
DNA origami is a process in which a DNA is folded in a nanoscale level and is used to build active structures at the tiniest scales (origami as in the art of paper folding). DNA is a great storage of information and thus structures which are built out of it can be used as information carriers. In line with this capability, these DNA nanoparticles (or ‘DNA nanorobots’ or ‘nanorobots’ or simply ‘nanobots’) can move and lift cargo at the smallest scales for specific tasks in the human body and thus are suitable for many 나노로봇 applications. The size of such a nanobot is 1000 times smaller than a single strand of human hair. This field of nanorobotics has been full of excitement for the past two decades and many experts have been focusing on developing such nanoscale structures based out on DNA which can fold themselves into all sorts of shapes and sizes to revolutionize medicine especially therapy and drug delivery.
Nanorobot 기술은 현재 널리 사용되고 있으며 이미 의료 영상, 장치, 센서, 에너지 시스템 및 의학과 같은 분야에 혁명을 일으켰습니다. 의학에서 나노봇은 주로 유해한 활동을 생성하지 않고 가능한 부작용이 없으며 신체의 어느 부위를 표적으로 삼고 작동하는지 매우 구체적이기 때문에 상당한 이점이 있습니다. 나노로봇의 개발 초기 비용은 높을 수 있지만 기존의 일괄 처리 방식으로 제조하면 비용이 크게 절감됩니다. 또한 나노 로봇의 크기가 매우 작아 박테리아와 바이러스를 표적으로 하는 데 이상적입니다. 또한, 작은 나노로봇은 체내에 매우 쉽게 주입될 수 있고 혈액(순환계)을 통해 쉽게 떠돌아 문제를 감지하고 치료하는 데 도움이 됩니다. 나노봇은 매우 스트레스가 많고 환자에게 막대한 개인적, 재정적 부담을 주는 화학 요법의 고통 없는 대안이 될 수 있기 때문에 암 연구에서 많은 중요성을 얻었습니다. 화학 요법은 암을 치료하는 가혹한 방법일 뿐만 아니라 암세포를 공격하는 것 외에도 이 절차는 몸 전체에 여러 가지 부작용을 남깁니다. 그러나 과학은 암이라고 하는 이 생명을 위협하는 질병을 치료하기 위해 화학 요법에 대한 새로운 대안을 발견할 수 없었습니다. 나노봇은 암을 공격하는 더 효율적이고 똑똑하며 표적화된 대안이 되어 향후 몇 년 동안 이러한 시나리오를 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
암 표적화
이 최근 연구에서 미국 애리조나 주립대학교와 국립 나노 베이징에 있는 중국과학원의 과학기술과 연구원들은 건강한 세포에는 해를 끼치지 않으면서 신체 내부의 암성 종양을 적극적으로 찾아 정확하게 파괴하는 자동화된 나노봇을 성공적으로 설계, 구축 및 신중하게 제어했습니다. 그들은 종양을 찾고 파괴하기 위한 매우 간단하고 직접적인 전략을 설계하고 사용함으로써 XNUMX년 넘게 나노 과학자들을 괴롭혀온 몇 가지 문제를 극복했습니다. DNA 기반 나노봇을 이용해 종양 세포 내 혈액 응고를 유도해 종양 세포 내 혈액 공급을 구체적으로 차단하는 전략이었다. 그래서 그들은 겉보기에 단순해 보이는 것을 생각했습니다. 트롬빈이라고 하는 핵심 혈액 응고 효소를 평평한 나노 크기의 DNA 종이접기 나노봇의 표면에 부착하는 것입니다. 평균 XNUMX개의 트롬빈 분자가 평평한 표면에 부착되어 있습니다. DNA 90nm x 60nm 크기의 종이접기 시트. 이 평평한 시트는 종이처럼 접혀서 나노봇이 속이 빈 튜브 모양으로 성형되도록 했습니다. 이 나노봇은 (공격적인 종양 성장으로 유도된) 마우스에 주입되었고, 혈류를 통해 이동하여 표적인 종양에 도달하고 이에 결합했습니다. 이어서 나노봇의 화물인 효소 트롬빈이 전달되어 종양 혈류를 차단합니다. 종양 성장에 영양을 공급하는 혈관 내 혈액 응고, 종양 조직 파괴 또는 세포 사멸을 유발합니다. 이 전체 과정은 흥미롭게도 매우 신속하게 발생하며 나노봇은 주입 후 몇 시간 이내에 종양을 둘러쌉니다. 모든 종양 세포에서 진행성 혈전증의 증거가 주사 36시간 후에 관찰되었습니다.
또한 저자들은 나노봇(DNA 앱타머) 표면에 종양 세포 표면에서만 다량으로 생성되는 뉴클레올린(nucleolin)이라는 단백질을 표적으로 하는 특수 페이로드(payload)를 포함하여 나노봇이 건강한 세포를 공격할 가능성은 XNUMX으로 떨어졌습니다. 이 나노봇은 종양 세포를 감소시키고 죽일 뿐만 아니라 전이(원격 위치에서 XNUMX차 암 성장)도 예방했습니다.
안전성과 효율성
저자들은 나노봇이 쥐와 돼지에게 사용하기에 안전하고 면역학적으로 불활성이며, 나노봇을 사용해도 다른 곳에서는 정상적인 혈액 응고, 세포 구조 또는 뇌에 대한 어떠한 변화도 나타나지 않았다고 강조합니다. 따라서, 그들은 원치 않는 부작용 없이 종양을 표적화하고 축소하는 데 안전하고 효과적인 것으로 지정되었습니다. 대부분의 나노봇은 24시간 후에 분해되어 몸에서 사라지는 것으로 나타났습니다. 나노봇은 '복제 나노봇' 모델로 설계될 수 있으며, 이는 몇 개의 사본이 만들어지고 다른 나노봇이 자체 생성되기 때문에 비용을 절감할 수 있지만 이러한 접근 방식은 특수한 상황에서만 적용되어야 함은 분명합니다. . 의학 분야에 관한 한, 어떤 극단적인 상황도 방지할 수 있도록 완벽한 킬 스위치가 있어야 합니다. 법무 당국은 예를 들어 무기화된 나노봇과 같이 의학에서 나노봇의 오용을 방지하기 위한 규정을 마련해야 합니다. 모든 요소를 고려했을 때, 나노봇의 효능은 간과할 수 없는 지점에 이르게 하며 잠재적인 나노봇을 보는 것이 미래 의학의 필수 구성 요소가 될 것입니다.
저자가 이 시스템이 인간의 폐 임상 경과를 모방한 XNUMX차 마우스 폐암 모델에서도 테스트되었음을 보여주듯이 인간에게도 유사한 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 암 XNUMX주 치료 후 종양의 퇴행을 보였다. 또한 이러한 연구는 쥐를 대상으로 수행되었으며 XNUMX주 이내에 유방암, 흑색종, 난소암 및 폐암에 대한 유사한 입증 가능한 효과가 동물에서 나타났습니다. 그러나 유사한 결과의 타당성을 확인하기 위해 인간을 대상으로 연구를 수행해야 하며 이를 달성하기 위해서는 강력한 임상 시험을 수행해야 합니다.
암을 공격하는 매우 똑똑하고 표적화된 방법
암 치료제의 주요 과제 중 하나는 암 종양 세포와 정상적이고 건강한 체세포를 신중하고 정확하게 구별하는 것입니다. 종양 세포를 회피하고 죽이는 기존의 접근 방식(화학요법 및 방사선 요법)은 정상 체세포와 상호작용하지 않고 종양 세포를 선택적으로 표적화하는 데 실패했습니다. 따라서 화학 요법 및 방사선 요법은 장기 손상을 포함하여 경미하거나 중대한 부작용을 일으키는 경향이 있어 암 치료가 매우 손상되어 환자의 생존율이 낮습니다. 이 연구에서 설명된 것과 같은 나노봇은 포유동물에서 처음으로 종양 세포를 식별하고 성장 및 증식을 감소시키는 데 매우 강력하고 효과적인 나노봇입니다. 이 DNA 로봇 시스템은 모든 고형 종양 공급 혈관이 본질적으로 동일하기 때문에 많은 유형의 암에 대한 정밀하고 표적화된 암 치료에 사용될 수 있습니다.
이 연구는 기술 발전을 사용하여 실용적인 의료 솔루션을 생각하고 계획하는 미래를 위한 길을 닦았습니다. 암 연구의 궁극적인 목표는 심각한 부작용이 없고 전이가 감소된 고형 종양의 성공적인 근절입니다. 이 연구를 통해 우리는 현재의 전략이 암 퇴치를 위한 궁극적인 목표를 달성하는 데 이상적일 수 있는 미래에 대한 엄청난 희망을 봅니다. 그리고 이 전략은 암뿐만 아니라 다른 많은 질병의 치료를 위한 약물 전달 플랫폼으로도 개발될 수 있습니다. 접근 방식은 단순히 나노봇의 구조를 수정하고 적재된 화물을 변경하기 때문입니다. 또한 나노봇은 인체와 뇌의 복잡성을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이것은 또한 가장 복잡한 수술을 포함하여 무통 및 비침습적 수술을 수행하는 데 도움이 될 것입니다. 가상으로 이 시점에서 나노봇은 크기 때문에 뇌 세포를 탐색하고 추가 연구에 필요한 모든 관련 정보를 생성할 수 있습니다. 지금부터 XNUMX년 후 미래에는 나노봇을 한 번만 주입하면 질병을 완전히 치료할 수 있을 것입니다.
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출처
Li S et al 2018. DNA 나노로봇은 생체 내 분자 유발 요인에 반응하여 암 치료제로 기능합니다. 자연 생명 공학. https://doi.org/10.1038/nbt.4071
