DNA折紙術(shù)“智取”耐藥癌細胞
日期:2016-02-26 13:16:57
目前,俄亥俄州立大學(xué)的研究人員正在研究一種新的方法治療耐藥性腫瘤,他們用DNA折紙(DNA Origami)技術(shù),將一種常見的癌癥藥物“偷運”至耐藥性的癌細胞中,這有點像希臘神話中的特洛伊木馬。
在實驗室測試中,當藥物被隱藏在一個由折疊DNA構(gòu)成的膠囊中時,耐藥性的白血病細胞吸收該膠囊之后死亡。
此前,其他研究小組也使用相同的封裝技術(shù)——DNA折紙,來對抗實體腫瘤的耐藥性。這是第一次有研究表明,同樣的技術(shù)也對耐藥性白血病細胞起作用。
研究人員已經(jīng)開始在小鼠體內(nèi)檢測這種膠囊,并希望在幾年內(nèi)轉(zhuǎn)移到人類腫瘤實驗中。他們早期的研究結(jié)果發(fā)表在國際知名期刊《Small》。
這項研究涉及一種急性髓系白血病(AML)的臨床前模型,該模型已經(jīng)對藥物柔紅霉素發(fā)展出了耐藥性。具體來說,當柔紅霉素分子進入AML細胞時,細胞能夠識別它們,并通過細胞壁上的開口泵出它們。這是一種耐藥機制,本研究共同作者、俄亥俄州立大學(xué)Wexner醫(yī)療中心的John Byrd將其比作從地下汲水的“排水泵”。
他和機械工程學(xué)助理教授Carlos Castro,帶領(lǐng)了一項合作研究,主要關(guān)注的是,將柔紅霉素隱藏在一種木馬分子中,可以繞過這一“排水泵”,這樣它們就無法將這些藥物從細胞泵出。
血液科主任、內(nèi)科教授Byrd指出:“癌細胞有新的耐藥途徑,就像這些“排水泵”一樣,封裝藥物的這種方式的令人興奮之處在于,我們可以避開這些防御,從而使藥物在腫瘤細胞中積累,導(dǎo)致它死亡。我們也有可能調(diào)整這些結(jié)構(gòu),使它們有選擇性地將藥物傳遞至癌細胞,而不是身體的其他部位——這可能導(dǎo)致副作用。”
納米工程和生物設(shè)計實驗室主任Castro指出:“DNA折紙納米結(jié)構(gòu)具有許多藥物輸送的潛力,不僅可用于制備有效的藥物載體,還可以使我們用新方法研究藥物傳遞。例如,我們可以非常精確地改變結(jié)構(gòu)的形狀或機械剛度,以探究其如何影響細胞進入。”
在試驗中,研究人員發(fā)現(xiàn),以前對柔紅霉素有耐藥性的AML細胞,可有效地吸收藥物分子——當它們隱藏在細小的棒狀膠囊中(由DNA構(gòu)成)。在顯微鏡下,研究人員在有熒光標記的細胞內(nèi)跟蹤了膠囊。
每一個膠囊大約有15納米寬和100納米長——比其要滲透的腫瘤細胞要小大約100倍。具有四個中空的、開放式的內(nèi)部隔室,它看起來不像人們吞服的藥丸,更像一個細長的燒渣塊。
博士后研究員Christopher Lucas說:“該設(shè)計最大限度地提高了攜帶藥物的可用表面積。柔紅霉素起作用的方式是,它藏進癌細胞的DNA中,并阻止其進行復(fù)制。所以我們設(shè)計了一個膠囊結(jié)構(gòu),它有很多可訪問的DNA堿基對,以使其藏入。當膠囊破裂時,藥物分子被釋放,涌進細胞。”
Castro團隊設(shè)計的膠囊是強大而穩(wěn)定的,因此,它們不會完全瓦解和釋放大量的藥物,等到細胞吐出它們時,已經(jīng)為時已晚。
這就是他們用熒光顯微鏡觀察到的——細胞將膠囊拉入通常要消化的細胞器。當膠囊破裂時,藥物會淹沒細胞,使它們崩解。大多數(shù)細胞在消耗膠囊的第一個15小時內(nèi)死亡。
這項工作是Castro實驗室的工程師們,將他們已經(jīng)建立的DNA折紙結(jié)構(gòu),第一次應(yīng)用于醫(yī)學(xué)所獲得的一項成果。
雖然DNA常被稱為生命的“構(gòu)建模塊”,但今天的工程師使用天然和合成的DNA,作為字面構(gòu)建模塊用于機械裝置。在此之前,俄亥俄州立大學(xué)的工程師制備了微小的DNA鉸鏈和活塞。
正如Castro指出的那樣,DNA是一種聚合物——盡管是一種天然存在的聚合物,他和他的同事們通過利用構(gòu)成聚合物鏈的堿基之間的物理相互作用,將其塑造成微小的設(shè)備、工具或容器。他們用DNA序列構(gòu)建了鏈,這些序列在一定程度上自然地吸引和相互約束,從而使長的聚合物自動折疊,或“自組裝”成為有用的形狀。
在這種DNA特洛伊木馬的情況中,研究人員使用一種常見噬菌體(一種感染細菌的病毒)的基因組,合成的鏈目的是把噬菌體DNA折疊起來。工程專業(yè)研究生Patrick Halley解釋說,雖然折疊形狀執(zhí)行一種功能,但DNA本身并不發(fā)揮作用。Halley說:“當你向人們介紹這項技術(shù)時,最難理解的事情就是,除了保持一個形狀之外,這個DNA膠囊不做任何事。它只是一種靜態(tài)的、剛性的結(jié)構(gòu),可承載東西。它不編碼任何蛋白質(zhì),或做其他我們通常認為DNA會做的事情。”
Castro說,與DNA折紙術(shù)制造的想法一致,他希望為制備這種膠囊,創(chuàng)造一個精簡和經(jīng)濟上可行的過程,作為一種模塊化藥物輸送系統(tǒng)的一部分。
Byrd說,如果進一步的工作表明,該技術(shù)可以有效地轉(zhuǎn)化到動物模型上,它可能對幾乎任何形式的耐藥腫瘤起作用,但他并未建議是否對細菌等病原體起作用,因為它們的耐藥機制可能不同。
腫瘤耐藥性是癌癥研究的一個熱門問題,2015年11月,來自弗吉尼亞理工大學(xué)Carilion研究所的科學(xué)家和Carilion診所的臨床醫(yī)生,發(fā)現(xiàn)了如何使耐藥的人膠質(zhì)母細胞瘤細胞再次對化療變得敏感。他們的這項研究結(jié)果發(fā)表在美國癌癥研究協(xié)會科學(xué)雜志《Cancer Research》。2015年3月,在Cell子刊《Cancer Cell》發(fā)表的兩篇論文,探討了基底細胞癌耐藥性的機制。