È un tropo familiare nella fantascienza:in territorio nemico, attiva il tuo dispositivo di occultamento. E i virus del mondo reale usano tattiche simili per rendersi invisibili al sistema immunitario. Ora gli scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard hanno imitato queste tattiche virali per costruire i primi nanodispositivi di DNA che sopravvivono alle difese immunitarie del corpo.

I risultati aprono la strada a nanorobot a DNA intelligenti che potrebbero utilizzare la logica per diagnosticare il cancro prima e in modo più accurato di quanto possano fare oggi i medici; farmaci mirati ai tumori, o persino fabbricare farmaci sul posto per paralizzare il cancro, i ricercatori riferiscono nel numero online del 22 aprile di ACS Nano .

"Stiamo imitando la funzionalità del virus per creare alla fine terapie che colpiscano specificamente le cellule, ", ha affermato William Shih, membro della facoltà principale del Wyss Institute, dottorato di ricerca, l'autore senior del documento. Shih è anche Professore Associato di Chimica Biologica e Farmacologia Molecolare presso la Harvard Medical School e Professore Associato di Biologia del Cancro presso il Dana-Farber Cancer Institute.

La stessa strategia di occultamento potrebbe essere utilizzata anche per realizzare contenitori microscopici artificiali chiamati protocelle che potrebbero fungere da biosensori per rilevare agenti patogeni negli alimenti o sostanze chimiche tossiche nell'acqua potabile.

Il DNA è ben noto per trasportare informazioni genetiche, ma Shih e altri bioingegneri lo usano invece come materiale da costruzione. Per fare questo, usano l'origami del DNA, un metodo che Shih ha aiutato a estendere dal 2D al 3D. In questo metodo, gli scienziati prendono un lungo filamento di DNA e lo programmano per piegarsi in forme specifiche, proprio come un singolo foglio di carta viene piegato per creare varie forme nell'arte tradizionale giapponese.

Il team di Shih assembla queste forme per costruire dispositivi su nanoscala del DNA che un giorno potrebbero essere complessi quanto il macchinario molecolare trovato nelle cellule. Per esempio, stanno sviluppando metodi per costruire il DNA in minuscoli robot che percepiscono il loro ambiente, calcolare come rispondere, poi svolgere un compito utile, come eseguire una reazione chimica o generare forza meccanica o movimento.

Questi nanorobot a DNA possono suonare come fantascienza, ma esistono già. Nel 2012 i ricercatori del Wyss Institute hanno riferito su Science di aver costruito un nanorobot che utilizza la logica per rilevare una cellula bersaglio, poi rivela un anticorpo che attiva un "interruttore suicida" nelle cellule leucemiche o di linfoma.

Affinché un nanodispositivo a DNA possa diagnosticare o curare con successo una malattia, deve sopravvivere alle difese del corpo abbastanza a lungo da svolgere il suo lavoro. Ma nel loro studio attuale, il team di Shih ha scoperto che i nanodispositivi di DNA iniettati nel flusso sanguigno dei topi vengono rapidamente digeriti.

"Questo ci ha portato a chiedere, 'Come possiamo proteggere le nostre particelle dall'essere masticate?'", ha detto Shih.

La natura ha ispirato la soluzione. Gli scienziati hanno progettato i loro nanodispositivi per imitare un tipo di virus che protegge il suo genoma racchiudendolo in una custodia proteica solida, quindi stratificazione su un rivestimento oleoso identico a quello delle membrane che circondano le cellule viventi. Quel rivestimento, o busta, contiene un doppio strato (doppio strato) di fosfolipidi che aiuta i virus a eludere il sistema immunitario e li trasporta all'interno della cellula.

"Sospettavamo che un involucro simile a un virus attorno alle nostre particelle potesse risolvere il nostro problema, " Ha detto Shih.

Per rivestire nanodispositivi di DNA con fosfolipidi, Steve Perrault, dottorato di ricerca, un membro del Wyss Institute Technology Development nel gruppo di Shih e l'autore principale del documento, prima piegato il DNA in un ottaedro delle dimensioni di un virus. Quindi, ha sfruttato le capacità di progettazione di precisione della nanotecnologia del DNA, costruire in maniglie per appendere i lipidi, che a sua volta dirigeva l'assemblaggio di una singola membrana a doppio strato che circondava l'ottaedro.

Al microscopio elettronico, i nanodispositivi rivestiti assomigliavano molto a un virus avvolto.

Perrault ha poi dimostrato che i nuovi nanodispositivi sono sopravvissuti nel corpo, caricandoli con colorante fluorescente, iniettandoli nei topi, e utilizzando l'imaging di tutto il corpo per vedere quali parti del topo brillavano.

Solo la vescica brillava nei topi che ricevevano nanodispositivi non rivestiti, il che significava che gli animali li scomponevano rapidamente ed erano pronti ad espellere il loro contenuto. Ma l'intero corpo degli animali brillò per ore quando ricevettero il nuovo, nanodispositivi rivestiti. Ciò ha dimostrato che i nanodispositivi sono rimasti nel flusso sanguigno finché lo fanno i farmaci efficaci.

I dispositivi rivestiti eludono anche il sistema immunitario. I livelli di due molecole di attivazione immunitaria erano almeno 100 volte inferiori nei topi trattati con nanodispositivi rivestiti rispetto ai nanodispositivi non rivestiti.

Nel futuro, i nanorobot occultati potrebbero attivare il sistema immunitario per combattere il cancro o sopprimere il sistema immunitario per aiutare il tessuto trapiantato a stabilizzarsi.

"L'attivazione della risposta immunitaria potrebbe essere utile clinicamente o qualcosa da evitare, " Ha detto Perrault. "Il punto principale è che possiamo controllarlo."

"I pazienti con cancro e altre malattie trarrebbero enorme vantaggio da precise, strumenti su scala molecolare per diagnosticare e trattare simultaneamente i tessuti malati, e far durare le nanoparticelle di DNA nel corpo è un enorme passo in quella direzione, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca