DNA折紙術(shù)“智取”耐藥癌細(xì)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(yùn)”至耐藥性的癌細(xì)胞中，這有點(diǎn)像希臘神話中的特洛伊木馬。
在實(shí)驗(yàn)室測試中，當(dāng)藥物被隱藏在一個(gè)由折疊DNA構(gòu)成的膠囊中時(shí)，耐藥性的白血病細(xì)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(shí)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(xì)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(shí)驗(yàn)中。他們早期的研究結(jié)果發(fā)表在國際知名期刊《Small》。
這項(xiàng)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(dāng)柔紅霉素分子進(jìn)入AML細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞能夠識別它們，并通過細(xì)胞壁上的開口泵出它們。這是一種耐藥機(jī)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(jī)械工程學(xué)助理教授Carlos Castro，帶領(lǐng)了一項(xiàng)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(xì)胞泵出。
血液科主任、內(nèi)科教授Byrd指出：“癌細(xì)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(xì)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(xì)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(jì)實(shí)驗(yàn)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(jī)械剛度，以探究其如何影響細(xì)胞進(jìn)入。”
在試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，以前對柔紅霉素有耐藥性的AML細(xì)胞，可有效地吸收藥物分子——當(dāng)它們隱藏在細(xì)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(biāo)記的細(xì)胞內(nèi)跟蹤了膠囊。
每一個(gè)膠囊大約有15納米寬和100納米長——比其要滲透的腫瘤細(xì)胞要小大約100倍。具有四個(gè)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(gè)細(xì)長的燒渣塊。
博士后研究員Christopher Lucas說：“該設(shè)計(jì)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(jìn)癌細(xì)胞的DNA中，并阻止其進(jìn)行復(fù)制。所以我們設(shè)計(jì)了一個(gè)膠囊結(jié)構(gòu)，它有很多可訪問的DNA堿基對，以使其藏入。當(dāng)膠囊破裂時(shí)，藥物分子被釋放，涌進(jìn)細(xì)胞。”
Castro團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的膠囊是強(qiáng)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(xì)胞吐出它們時(shí)，已經(jīng)為時(shí)已晚。
這就是他們用熒光顯微鏡觀察到的——細(xì)胞將膠囊拉入通常要消化的細(xì)胞器。當(dāng)膠囊破裂時(shí)，藥物會淹沒細(xì)胞，使它們崩解。大多數(shù)細(xì)胞在消耗膠囊的第一個(gè)15小時(shí)內(nèi)死亡。
這項(xiàng)工作是Castro實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(jī)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(dòng)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(xì)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(dāng)你向人們介紹這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，最難理解的事情就是，除了保持一個(gè)形狀之外，這個(gè)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(rèn)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(gè)精簡和經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步的工作表明，該技術(shù)可以有效地轉(zhuǎn)化到動(dòng)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(xì)菌等病原體起作用，因?yàn)樗鼈兊哪退帣C(jī)制可能不同。
腫瘤耐藥性是癌癥研究的一個(gè)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(xì)胞瘤細(xì)胞再次對化療變得敏感。他們的這項(xiàng)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(xì)胞癌耐藥性的機(jī)制。
