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科学家创造了用于DNA诊断和靶向药物递送的超灵敏纳米材料

1900年,德国医生保罗·埃里希(Paul Ehrlich)提出了“魔术”的概念。基本思想是为患者注入能够发现,识别和治疗疾病的智能粒子。从那以后,医学一直在追求魔力。

来自莫斯科物理技术研究所和普罗霍罗夫综合物理研究所的俄罗斯研究人员已朝着这一目标迈进。在MIPT的Maxim Nikitin的带领下,研究小组在ACS Nano上发表了一篇论文(影响因子:13.903),展示了一种具有独特特性的智能材料,该材料有望用于表达DNA分析和抗癌及其他严重疾病的下一代药物。

向受疾病影响的细胞运送药物是诊断和治疗的主要瓶颈。理想情况下,药物应仅到达致病细胞,而不会对健康细胞造成任何伤害。有许多标记化合物可以释放癌细胞。在受影响的细胞表面或微环境中发现的这些讲故事分子中,有废物和作为信号发送到其他细胞的废物。

现代药物依靠一种这样的标记物来识别病细胞。但是,通常情况下,健康细胞会携带相同的标记物,尽管数量较少。这意味着现有的靶向药物递送系统并不完美。为了使药物输送更加具体,需要智能材料,该材料能够一次分析多个环境参数,以更高的精度找到目标。

MIPT纳米生物技术实验室负责人马克西姆·尼基丁(Maxim Nikitin)表示:“常规的药物递送方法就像是在信封上写上一封信,上面写着城市和街道,但没有房屋和公寓号。”“我们需要能够分析更多参数,以确保有效交付。”

以前,Nikitin及其合作者开发了能够通过生化反应进行复杂逻辑计算的纳米和微粒。在他们2014年发表在《自然纳米技术》上的论文中,研究人员报告说,他们的自主纳米计算机可以分析目标的许多参数,因此在识别目标方面要好得多。

过去几年中,生物计算材料取得了许多进步。到2018年,有关该主题的论文已成百上千发表。《化学评论》是该领域最著名的期刊,影响因子为54.301,发表了有关当代纳米机器人学和生物计算的评论。该论文的副标题为“ Theranostic Nanorobots的黎明”,是由MIPT纳米生物技术实验室和俄罗斯科学院普罗霍罗夫综合物理研究所的生物光子实验室的研究人员撰写的。

尽管世界各地许多研究团队都在努力扩大生物计算材料的功能,但它们仍然对疾病标记物不够敏感,无法进行实际应用。

ACS Nano团队的最新论文标志着该领域的突破。他们开发了一种独特的智能材料,其特征是对DNA信号具有超敏感性。它比最接近的竞争对手要敏感几个数量级。而且,这种新材料比目前绝大多数可用的表达DNA分析法具有更高的灵敏度。

在发现DNA分子在纳米颗粒表面表现出不同寻常的行为后,研究人员获得了非凡的结果。

在这项研究中,单链DNA分子的一端固定在纳米粒子上。重要的是,该分子没有发夹-即部分链粘附于其上的双链链段。研究小组在DNA链的另一端装有一个小分子受体。与预期相反,受体未结合其靶标。在排除了一个错误之后,科学家们推测单链DNA可能会黏附在纳米粒子上并盘绕起来,从而将受体藏在粒子表面下方(图1,左)。

当研究小组将互补的单链DNA添加到其颗粒中时,这一假设就被证明是正确的(图1,右)。受体立即变得活跃,并结合其靶标。这是因为互补核苷酸之间的键导致两条DNA链形成刚性双螺旋或双链体。就像变色龙的舌头一样,链解开了,暴露了与靶标结合的受体。

DNA链的这种解螺旋类似于分子信标的解螺旋(图2,顶部)。这是指单链DNA,其一端与相对端形成双链体,折叠结构。DNA的互补链可以展开信标。但是,存在明显和有用的区别。研究的第一作者弗拉基米尔·切尔卡索夫(Vladimir Cherkasov)说:“与分子信标不同,发现的现象使DNA卷曲在纳米粒子上的力与输入DNA的拉直力分开调节。这大大提高了对输入的敏感性。” MIPT纳米生物技术实验室。

在他们的论文中,研究人员展示了能够检测到每升低至30飞摩尔(百万分之一摩尔的百万分之三十)的DNA浓度的试剂,而无需DNA和/或信号放大。该研究的共同作者,MIPT纳米生物技术实验室的博士生Elizaveta Mochalova补充说:“我们证明了通过非常简单的侧向流动测定法具有很高的灵敏度,该测定法广泛用于妊娠试验。不同于现有的DNA测定法,例如检测可以在干净的实验室环境中进行,并且不需要先进的设备。这使得该技术非常适合于快速传染病筛查,家用食品检测套件以及类似的东西。”

该论文的作者还表明,该技术适用于智能纳米剂的设计,该智能剂可根据微环境中小DNA的浓度识别癌细胞。不久前,小核酸被认为只是由较大功能分子的回收而产生的无意义的碎片。然而,事实证明小RNA是活细胞中许多过程的关键调控因子。生物学家目前正在这些RNA中鉴定疾病标记。

Nikitin评论说:“有趣的是,要检测的核酸长度越小,我们的技术就越具有竞争力。”“我们可以制造由经过充分研究的,长度为17至25个碱基的小RNA控制的超敏剂。但是,如果我们采用的序列少于10个核苷酸,那么根本就没有可比的灵敏度的技术。”

科学家补充说:“更令人兴奋的是,我们的方法能够探测细胞的微环境,以确定较短的小RNA是否是有用的疾病标志物,而不是由于检测困难而通常被认为毫无意义的化合物。”

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