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用纳米技术治疗肾脏

每年有大约1330万新发急性肾损伤(AKI)病例,这是一个严重的疾病。以前称为急性肾功能衰竭,这种疾病通常在疾病发作的数小时或数天内产生含氮废物的快速积累并减少尿量。经常发生严重的并发症。

AKI每年导致170万人死亡。保护健康的肾脏免受伤害并治疗已经受伤的人仍然是现代医学的重大挑战。在“自然生物医学工程”杂志上发表的一项新研究中,郝岩和他在威斯康星大学麦迪逊分校和中国的同事描述了一种治疗和预防AKI的新方法。他们的技术涉及使用直径仅为十亿分之一米的微小自组装形式。Yan负责生物设计分子设计和仿生学中心,是亚利桑那州立大学分子科学学院的Martin D. Glick杰出教授。三角形,管状和矩形形状使用称为DNA折纸的方法设计和制造。在这里,DNA的四个核苷酸的碱基配对特性被用于工程和制造DNA折纸纳米结构(DON),其自组装并优先在肾脏中积累。“由威斯康星大学麦迪逊分校的Weibo Cai教授和DNA纳米技术团队领导的纳米医学与体内成像团队之间的跨学科合作,带来了一种新的应用 - 应用DNA折纸纳米结构来治疗急性肾损伤,”Yan说。“这代表了DNA纳米技术研究的新视野。”

新研究中描述的实验 - 在小鼠和人胚胎肾细胞中进行 - 表明DON充当快速和活跃的肾保护剂,并且还可以缓解AKI的症状。用正电子发射断层扫描(PET)检查DON的分布。结果显示,矩形纳米结构特别成功,保护肾脏免受伤害,与主要药物治疗一样有效,并减轻AKI的主要来源,称为氧化应激。该研究首次通过PET定量成像研究DNA纳米结构在生命系统中的分布,为治疗AKI以及其他肾脏疾病的一系列新治疗方法铺平了道路。“这是团队科学的一个很好的例子,具有多学科和多国合作,”蔡说。“这四个研究小组分布在不同的国家,但他们定期沟通并具有协同专业知识。三位同等贡献的第一作者(Dawei Jiang,Zhilei Ge,Hyung-Jun Im)也有不同的背景,一个是放射性标记和成像一个是DNA纳米结构,另一个是临床核医学。他们一起推动了这个项目。“

重要器官

肾脏在体内发挥重要作用,从血液中去除废物和多余水分,形成尿液。尿液然后通过输尿管从肾脏流到膀胱。血液中的废物是由活跃肌肉和食物的正常分解产生的,身体需要能量和自我修复。

急性肾损伤的严重程度可能相当大。在晚期AKI中,需要肾移植以及支持疗法,包括补液和透析。对比诱发的AKI是一种常见的疾病形式,是由有时用于提高医学成像清晰度的造影剂引起的。临床上使用称为N-乙酰半胱氨酸(NAC)的抗氧化药物来保护肾脏在这样的过程中免受毒性攻击,但是肾脏中药物的生物利用度差可能限制其有效性。(目前,没有已知的AKI治愈方法。)纳米医学 - 用于生物医学应用的纳米级原子或分子的工程 - 代表了一种新的令人兴奋的医学探索和治疗途径。该领域的最新研究推动了包括AKI在内的一系列疾病的成像和治疗的改进,尽管迄今为止在生命系统中使用纳米材料来治疗肾病迄今受到限制。核酸如DNA和RNA的碱基配对特性使得能够设计具有可预测形状和大小的微小可编程结构,能够执行多种任务。此外,由于它们的稳定性,低毒性和低免疫原性,这些纳米结构理想用于生命系统。

新设计

目前的研究标志着生物体内DNA折纸纳米结构的首次研究,使用定量成像来追踪它们的行为。研究中使用的PET成像允许定量和可靠的实时方法来研究生物体中DON的循环并评估它们的生理分布。基于PET分析,矩形DON被鉴定为治疗小鼠AKI的最有效治疗剂。

Yan和他的同事使用PET成像制备了一系列DON并使用放射性标记来研究他们在小鼠肾脏中的行为。PET扫描显示DONs优先积聚在健康小鼠的肾脏以及诱导AKI的肾脏中。在实验中使用的三种形状中,矩形DON在保护和治疗方面提供了最大的益处,并且其作用与药物NAC相当,被认为是AKI的金标准治疗。患有肾病的患者通常伴有疾病,包括心血管疾病和恶性肿瘤的高发病率。急性肾病可能是通过氧化应激过程诱发的,氧化应激是由于含氧废物(称为活性氧物质)的增加,导致脂质,蛋白质和DNA受损。当自由基和抗氧化剂防御的微妙平衡变得不稳定,引起炎症并加速肾病的进展时,就会发生这种情况。(富含抗氧化剂的食物和营养补充剂可以保护细胞免受活性氧物质的有害影响。)

用DNA几何学保护肾脏

新研究中描述的DON的保护和治疗效果是由于纳米结构清除活性氧物质的能力,从而使易损细胞免受氧化应激造成的损害。在人胚胎肾细胞系以及活小鼠中研究了这种效应。与传统的AKI疗法相比,纳米结构在健康和患病肾脏中的积累提供了增加的治疗效果。(DON与受影响的肾细胞孵育后2小时内缓解氧化应激。)在引入纳米结构后观察到AKI肾功能的改善 - 与药物NAC的高剂量施用相当。检查染色的组织样本进一步证实了DON在肾脏中的有益作用。作者提出了几种机制来解释正确折叠的折纸纳米结构在肾脏中的持久性,包括它们对消化酶的抵抗力,避免免疫监视和低蛋白质吸收。血清肌酐和血尿素氮(BUN)的水平用于评估小鼠的肾功能。用矩形DON治疗的AKI小鼠显示出改善的肾排泄功能,与使用主线药物NAC接受治疗的小鼠相当。

此外,研究小组建立了矩形DONs的安全性,通过检测白细胞介素-6和肿瘤坏死因子α的血液水平来评估它们在小鼠中引发免疫反应的可能性。结果显示DONs是非免疫遗传学的,心脏,肝脏,脾脏和肾脏的组织染色显示它们在原发器官中的低毒性,使其成为人类临床使用的有吸引力的候选者。基于DONs在人肾细胞培养物和活体小鼠肾脏中有效清除活性氧物质,该研究得出结论,该方法确实可以为AKI肾脏提供局部保护,甚至可以为AKI损伤的肾脏或其他肾脏提供有效的治疗。肾脏疾病。成功的概念验证研究扩展了新型治疗可编程纳米结构的潜力,旨在解决从智能药物输送到精确靶向器官和组织修复的广泛医疗挑战

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