Nel 1900, Il medico tedesco Paul Ehrlich ha inventato il concetto di "proiettile magico". L'idea di base è quella di iniettare al paziente particelle intelligenti in grado di trovare, riconoscendo, e curare una malattia. Da allora la medicina ha perseguito la bacchetta magica.

Ricercatori russi dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Istituto di fisica generale Prokhorov, RAS, hanno fatto progressi verso tale obiettivo. Guidato da Maxim Nikitin del MIPT, il team ha pubblicato un documento in ACS Nano , presentando un materiale intelligente con proprietà uniche, che è promettente per l'analisi rapida del DNA e farmaci di nuova generazione contro il cancro e altre malattie gravi.

La somministrazione di farmaci alle cellule colpite da una malattia è un importante collo di bottiglia nella diagnostica e nella terapia. I farmaci dovrebbero idealmente raggiungere solo le cellule patogene, senza fare del male a quelli sani. Ci sono una serie di composti marcatori che danno via le cellule cancerose. Tra queste molecole rivelatrici, trovato sulla superficie delle cellule colpite o nel loro microambiente, sono prodotti di scarto e quelli inviati ad altre cellule come segnali.

I farmaci moderni si basano su uno di questi marcatori per identificare le cellule malate. Però, di solito accade che le cellule sane portino gli stessi marcatori, anche se in quantità minori. Ciò significa che i sistemi di somministrazione mirata dei farmaci esistenti non sono perfetti. Per rendere più specifica la somministrazione dei farmaci, sono necessari materiali intelligenti in grado di analizzare più parametri ambientali contemporaneamente, ricercare il bersaglio con maggiore precisione.

"I metodi convenzionalmente usati per la consegna dei farmaci sono come spedire una lettera con la città e la via scritte sulla busta, ma senza i numeri di casa e appartamento, Maxim Nikitin, ricercatore principale e capo del laboratorio di nanobiotecnologie del MIPT, ha commentato:"Dobbiamo essere in grado di analizzare più parametri per garantire una consegna efficace".

In precedenza, Nikitin e coautori hanno sviluppato nano e microparticelle in grado di condurre calcoli logici complessi tramite reazioni biochimiche. Nel loro articolo del 2014 in Nanotecnologia della natura , i ricercatori hanno riferito che i loro nanocomputer autonomi potrebbero analizzare molti parametri di un bersaglio ed erano quindi molto più bravi nella sua identificazione.

Gli ultimi anni hanno visto molti progressi nei materiali di bioinformatica. Entro il 2018, centinaia e centinaia di articoli erano stati pubblicati sull'argomento. Recensioni chimiche , il giornale più rinomato del settore, ha pubblicato una revisione della nanorobotica contemporanea e del bioinformatica. La carta, con il sottotitolo "Dawn of Theranostic Nanorobots, " è stato scritto da ricercatori del Nanobiotechnology Lab del MIPT e del Biophotonics Lab del Prokhorov General Physics Institute dell'Accademia Russa delle Scienze (RAS).

Nonostante gli sforzi di numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo che cercano di espandere la funzionalità dei materiali di bioinformatica, non sono ancora abbastanza sensibili ai marcatori di malattie, rendendo impossibili le applicazioni pratiche.

Il recente documento della squadra in ACS Nano segna una svolta in questo campo. Hanno sviluppato un materiale intelligente unico caratterizzato da supersensibilità ai segnali del DNA. È di diversi ordini di grandezza più sensibile del concorrente più vicino. Inoltre, il nuovo materiale mostra una sensibilità superiore a quella della stragrande maggioranza dei test del DNA espresso attualmente disponibili.

I ricercatori hanno ottenuto questo notevole risultato dopo aver scoperto che le molecole di DNA mostrano un comportamento insolito sulla superficie delle nanoparticelle.

Nello studio, un'estremità di una molecola di DNA a singolo filamento è stata fissata a una nanoparticella. È importante sottolineare che la molecola non aveva forcine, cioè segmenti a doppio filamento dove parte della catena si attacca a se stessa. Il team ha dotato l'altra estremità della catena del DNA di un piccolo recettore molecolare. Contrariamente alle aspettative, il recettore non ha legato il suo bersaglio. Dopo aver escluso un errore, gli scienziati hanno ipotizzato che il DNA a singolo filamento potrebbe attaccarsi alla nanoparticella e arrotolarsi, nascondendo il recettore sotto di esso, sulla superficie della particella.

L'ipotesi si è rivelata giusta quando il team ha aggiunto singoli filamenti complementari di DNA alla loro particella. Il recettore è diventato immediatamente attivo, vincolante il suo obiettivo. Ciò è accaduto perché i legami tra i nucleotidi complementari hanno fatto sì che i due filamenti di DNA formassero una doppia elica rigida, o duplex. Come la lingua di un camaleonte, il filo si srotolò, esponendo il recettore per il legame al bersaglio.

Tale srotolamento del filamento di DNA assomiglia a quello di un segnale molecolare. Questo si riferisce a un DNA a filamento singolo la cui estremità forma un duplex con l'estremità opposta, ripiegando la struttura. Un filamento complementare di DNA può dispiegare il segnale. Però, c'è una distinzione significativa e utile. "A differenza dei segnali molecolari, il fenomeno scoperto consente di sintonizzare la forza dell'arricciamento del DNA sulla nanoparticella separatamente dalla forza di raddrizzamento del DNA in ingresso. Ciò porta a una sensibilità notevolmente migliore all'input, " ha osservato il primo autore dello studio Vladimir Cherkasov, uno dei principali ricercatori del Nanobiotechnology Lab, MIPT.

Nella loro carta, i ricercatori dimostrano agenti in grado di rilevare concentrazioni di DNA fino a 30 femtomoli (30 miliardesimi di milionesimo di mole) per litro, senza DNA e/o amplificazione del segnale. La coautrice dello studio Elizaveta Mochalova, uno studente di dottorato presso il Laboratorio di nanobiotecnologie del MIPT, ha aggiunto:"Abbiamo dimostrato che la sensibilità è così alta con un'analisi del flusso laterale abbastanza semplice, che è ampiamente utilizzato nei test di gravidanza. A differenza dei test del DNA esistenti, tali test possono essere eseguiti al di fuori di un ambiente di laboratorio pulito e non richiedono attrezzature avanzate. Ciò rende la tecnologia adatta allo screening rapido delle malattie infettive, kit di analisi degli alimenti per uso domestico, e cose simili».

Gli autori dell'articolo hanno anche dimostrato che la tecnologia è applicabile alla progettazione di nanoagenti intelligenti che riconoscano le cellule tumorali in base alla concentrazione di piccolo DNA nel loro microambiente. Non molto tempo fa, si pensava che i piccoli acidi nucleici fossero solo detriti insignificanti risultanti dal riciclaggio di molecole funzionali più grandi. Però, piccoli RNA si sono rivelati regolatori chiave di molti processi nelle cellule viventi. I biologi stanno attualmente identificando marcatori di malattia tra questi RNA.

"Interessante, minore è la lunghezza dell'acido nucleico da rilevare, più la nostra tecnologia diventa competitiva, Nikitin ha commentato. "Possiamo fabbricare agenti ultrasensibili controllati da piccoli RNA ben studiati che sono lunghi da 17 a 25 basi. Però, se prendiamo sequenze di lunghezza inferiore a 10 nucleotidi, semplicemente non esistono tecnologie con una sensibilità paragonabile."

"Ciò che è ancora più eccitante è che il nostro metodo consente di sondare il microambiente delle cellule per determinare se i piccoli RNA più corti sono utili marcatori di malattie piuttosto che i composti privi di significato che sono comunemente ritenuti essere a causa delle difficoltà nella loro rilevazione, " ha aggiunto lo scienziato.

La tecnologia di nuova concezione offre prospettive per la genomica, sia in termini di analisi del DNA express point-of-care sia per lo sviluppo di nanomateriali terapeutici di nuova generazione. Gli ultimi anni hanno visto enormi progressi nella ricerca e nell'editing del genoma, ma la nuova tecnologia potrebbe risolvere il problema che resta rilevante:somministrare farmaci solo alle cellule con un particolare profilo genetico del microambiente.

I ricercatori intendono continuare a sviluppare la loro tecnologia. Ciò include il lavoro futuro presso il Centro per le tecnologie genomiche e la bioinformatica recentemente istituito dal MIPT.