Молекулы ДНК оказались отличной основой для проектирования и конструирования механических молекулярных устройств, способных реагировать на внешние сигналы — и осуществлять определённые действия в зависимости от них. В последние годы учёные провели успешные эксперименты с ДНК-роботами в качестве транспортных средств и зондов для формирования изображений. Эксперименты проводились в культивированной среде из выращенных клеток, на насекомых и нематодах Caenorhabditis elegans. Но до сих пор ни разу опыты с целевой доставкой лекарств не ставились на млекопитающих.

В то же время с 2003–2005 годов известно, что успешной стратегией по лечению рака является селективная закупорка кровеносных сосудов опухоли, чтобы лишить её питательных веществ и кислорода — и запустить лавину смерти опухолевых клеток. ДНК-роботы идеально подходят для выполнения такой задачи. Более того, эта стандартная стратегия работает для многих видов рака, поскольку кровеносные сосуды, питающие раковые клетки твёрдой опухоли, по сути одинаковые.

Закупорка кровеносного сосуда и некроз тканей раковой опухоли в течение 72 часов после ввода ДНК-роботов в кровеносную систему мыши

Коллектив китайских учёных впервые провёл такой эксперимент на млекопитающих (мышах). Они сконструировали роботов методом ДНК-оригами и загрузили их молекулами тромбина. Это сериновая протеаза, важнейший компонент системы свёртывания крови человека и животных. Тромбин регулирует агрегацию тромбоцитов путём активации тромбоцитов и преобразования циркулирующего фибриногена в фибрин, из-за чего происходит быстрая закупорка кровеносного сосуда (тромбоз).

Дизайн и описание наноробота с тромбином. ДНК-оригами реагирует на нуклеолин и разворачивается в прямоугольный лист. Его заполняют молекулами тромбина, сворачивают в трубку и в закрытом состоянии пускают по кровеносным сосудам. Прибыв на место закупорки, робот реагирует на нуклеолин, раскрывается и освобождает молекулы тромбина (яркие пятна на фотографии внизу, сделанной сканирующим атомно-силовым микроскопом, масштабная метка соответствует 100 нм)

Для эффективного использования этого метода критически важным является точная доставка тромбина в нужное место и закупорка конкретного сосуда, чтобы минимизировать потенциальный вред для других сосудов, где закупорка не требуется. Традиционными методами добиться этого не представлялось возможным, поэтому чистый тромбин раньше не использовали для лечения рака. Китайским медикам удалось успешно решить задачу с помощью ДНК-роботов. Эти роботы защищают тромбин и не выпускают его до тех пор, пока не встретят на своём пути характерный маркер раковой опухоли — нуклеолин. При встрече с ним роботы мгновенно раскрываются и выпускают «лекарство».

Метод ДНК-оригами позволяет создавать рациональный дизайн и производство наноструктур нужного размера, формы и функциональности. Учёные провели эксперимент на живой мыши с раковой опухолью молочной железы человека — и доказали эффективность таких роботов в реальном применении. Роботы успешно заблокировали конкретный кровеносный сосуд, питающий опухоль, и не тронули другие сосуды.

Для доказательства, что роботы не причиняют вреда и более крупным млекопитающим, были проведены дополнительные эксперименты на карликовых домашних свиньях (мини-пигах), которые очень похожи на человека по анатомии и физиологии. Свиньям провели инъекции ДНК-роботов стандартной мышиной терапевтической дозы (150 юнитов на свинью). Поскольку у свиней не было опухоли, то роботы свободно циркулировали в сосудах и не сработали. Не замечено никаких аномалий в системе кровообращении и параметрах свёртывания крови. Некоторые аномалии замечены при повышении дозы до 350 юнитов, но они оказались временными и тромбоза жизненно важных органов не произошло.

Карликовая домашняя свинья

Как показано на иллюстрации вверху, наноробот представляет собой самосборную нанотрубку с несколькими функциональными элементами. Она разворачивается в прямоугольный лист размером 90×60×2 нанометра.

Робот изготавливается из геномной ДНК бактериофага М13. Это вирус, который поражает бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). ДНК данного вируса — популярный инструмент для конструирования различных наноструктур. Ранее проводились эксперименты с разновидностями таких роботов, которые способны нести в себе полезную нагрузку из разных протеинов. Например, их используют в процессе сборки нанопроводов из оксида кобальта в батареях, а также для упаковки углеродных нанотрубок в плотные пучки, которые применяются в фотогальванике.

Хотя эксперименты на людях ещё впереди, но некоторые специалисты считают принципиально новый метод лечения рака настоящим прорывом. Избирательное уничтожение раковых опухолей выглядит гораздо перспективнее, чем «варварская» химиотерапия, которая уничтожает все клетки подряд. Если лекарство селективно действует только на опухоли и безвредно для здорового человека, то теоретически принимать такие «инъекции» с ДНК-роботами в качестве профилактики может любой человек. Есть у него есть какая-нибудь раковая опухоль — лекарство её убьёт, если нет опухоли — ничего не произойдёт.

Научная статья опубликована 12 января 2018 года в журнале Nature Biotechnology (doi: 10.1038/nbt.4071, pdf).