צוות חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) פיתח שיטה חדשה לשיפור הדיוק של הטיפול בסרטן באמצעות ננו-חלקיקי זהב מתויגים בברקודים של DNA.
בהנחייתו של עוזר פרופסור אנדי טיי מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית במכללה לעיצוב והנדסה ובמכון לחדשנות וטכנולוגיה בבריאות ב-NUS, המחקר מדגים כיצד ננו-חלקיקי זהב בעלי צורות ספציפיות, כגון משולשים, מצטיינים באספקת חומצות גרעין טיפוליות חימום תאי גידול במהלך טיפול פוטותרמי. ממצאים אלה חושפים את ההעדפות המובהקות של תאי גידול עבור תצורות ננו-חלקיקים מסוימות, מה שיכול לאפשר פיתוח טיפולי סרטן מותאמים אישית בטוחים ויעילים יותר.
הטכניקה החדשנית של הצוות, מפורטת במאמר שפורסם ב חומרים פונקציונליים מתקדמים ב-24 בנובמבר 2024, מאפשר סינון בתפוקה גבוהה של צורות, גדלים ושינויים של ננו-חלקיקים, תוך הפחתת עלויות ההקרנה הנלוות. מעבר לטיפול בסרטן, לשיטה יש יישומים טיפוליים רחבים יותר, לרבות מסירת RNA והכוונה למחלות ברמה הספציפית לאיבר.
הגודל והצורה חשובים
זהב הוא יותר מסתם בלינג. כאשר מצטמצמים לכאלפית מרוחב שיער האדם, ננו-חלקיקי זהב זוהרים כסוכנים טיפוליים לטיפול בסרטן. לדוגמה, כתמים של המתכת היקרה משמשים בטיפול פוטותרמי, שבו חלקיקים המועברים לאתר הגידול ממירים אורכי גל ספציפיים של אור לחום, והורגים תאים סרטניים שמסביב. חלקיקי זהב יכולים לשמש גם כשליחים להעברת תרופות ישירות למקומות ספציפיים בתוך הגידול.
אבל כדי שחלקיקי הזהב האלה יעבדו, הם צריכים קודם כל להיכנס לאתרים הממוקדים בהצלחה. תחשוב על זה כעל שליח עם מפתח מיוחד – אם המפתח לא מתאים למנעול, החבילה לא תעבור".
עוזר פרופסור אנדי טיי, המחלקה להנדסה ביו-רפואית, המכללה לעיצוב והנדסה והמכון לחדשנות וטכנולוגיה בבריאות ב-NUS
השגת רמת דיוק זו דורשת מציאת עיצוב ננו-חלקיקים נכון – צורתו, גודלו ומאפייני פני השטח שלו חייבים להתאים להעדפות של תאי המטרה. עם זאת, שיטות ההקרנה הקיימות לאיתור עיצובים אופטימליים דומות לחיפוש מחטים בערימת שחת. יתרה מכך, שיטות אלו מתעלמות לעיתים קרובות מההעדפות של סוגי תאים שונים בתוך גידול, החל מחסינות דרך אנדותל ועד תאים סרטניים.
כדי להתמודד עם אתגרים אלה, פנו חוקרי NUS לברקוד DNA. כל ננו-חלקיק מתויג ברצף DNA ייחודי, שבעזרתו יכלו החוקרים לתייג ולעקוב אחר עיצובים בודדים, בדומה לרשום חבילה שתישלח בדואר במערכת משלוחים. חשוב לציין, הברקודים הללו אפשרו לצוות לנטר עיצובי ננו-חלקיקים מרובים בו-זמנית in vivo, שכן ניתן היה לחלץ ולנתח את הרצפים שלהם בקלות כדי לאתר את מקום הימצאו של הננו-חלקיקים בתוך הגוף.
"השתמשנו בפונקציונליזציה של תיול כדי לעגן בצורה מאובטחת את ברקודי ה-DNA אל פני השטח של חלקיקי הזהב. זה מבטיח שהברקודים יישארו יציבים, עמידים לפירוק אנזימטי ואינם מפריעים לקליטת הסלולר", אמר פרופ' טאי, והדגיש חידוש חשוב של עבודת הצוות.
כדי להדגים זאת, החוקרים הכינו ננו-חלקיקים בשש צורות וגדלים שונים, כאשר פיזורם וקליטה שלהם על פני סוגי תאים שונים נוטרו. הם גילו שננו-חלקיקים עגולים, למרות שהראו ספיגה לקויה במחקרי תרבית תאים, היו מצוינים במיקוד לגידולים במודלים פרה-קליניים, מכיוון שהם נוטים פחות להיות מסולקים על ידי מערכת החיסון. מצד שני, ננו-חלקיקים משולשים הצטיינו הן בבדיקות חוץ גופיות והן בבדיקות in vivo, וכתוצאה מכך ספיגה תאית גבוהה ותכונות פוטו-תרמיות חזקות.
הפיכת טיפולי סרטן לבטוחים יותר
עבודת הצוות מאירה אור על אינטראקציות של ננו-חלקיקים במערכות ביולוגיות והצורך לגשר על פערים בין ממצאי חוץ-גופית ל-in vivo, כפי שמעידים אלו שנחשפו על-ידי ננו-חלקיקי הזהב העגולים. תובנות אלו יכולות להנחות את הפיתוח של ננו-חלקיקים בעלי צורה או עיצובי ביניים המותאמים לאופטימיזציה של שלבים שונים של אספקת תרופות.
בנוסף, המחקר גם מאיר את הפוטנציאל הבלתי מנוצל של חקר צורות ננו-חלקיקים מעבר לכדורים, השולטים באלו שאושרו על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי. שיטת ברקוד ה-DNA של החוקרים עשויה להתרחב גם למסך ננו-חלקיקים אנאורגניים אחרים כמו ברזל וסיליקה in vivo, ולהרחיב את ההיקף של מתן תרופות ורפואה מדויקת.
במבט קדימה, החוקרים מרחיבים את ספריית הננו-חלקיקים שלהם לכלול 30 עיצובים לזיהוי מועמדים המסוגלים לכוון לאברונים תת-תאיים. לאחר מכן, המתאימים ייבדקו לגבי יעילותם בהשתקת גנים ובטיפול פוטותרמי בסרטן השד. פרופ' טאי גם שיתף כי הממצאים יכולים לשפר משמעותית את ההבנה שלנו בביולוגיה של RNA ולקדם טכניקות העברת RNA, אשר מיושמות יותר ויותר בתרופות לטיפול במחלות שונות.
"התמודדנו עם אתגר מרכזי בטיפול בסרטן – אספקת תרופות ספציפית לרקמות סרטן ביעילות רבה יותר", אמר פרופ' טאיי. "עקב אכילס של תרופות קיימות מבוססות ננו-חלקיקים הוא ההנחה שלהן של משלוח אחיד על פני כל האיברים, אבל המציאות היא שאיברים שונים מגיבים בצורה שונה. תכנון ננו-חלקיקים בעלי צורה אופטימלית למיקוד ספציפי לאיברים משפר את הבטיחות והיעילות של תרופות ננו-תרפיות לסרטן. טיפול – ומעבר לכך".
