ננורובוטיקה - דרך חכמה וממוקדת יותר לתקוף סרטן

במחקר שנערך לאחרונה, חוקרים פיתחו לראשונה מערכת ננו-רובוטית אוטונומית מלאה המיועדת במיוחד לסרטן

בהתקדמות גדולה בננו-רפואה, התחום המשלב ננוטכנולוגיה עם רפואה, חוקרים פיתחו אפיקים חדשים של טיפול טיפולי באמצעות ננו-חלקיקים קטנים מאוד בגודל מולקולה (מכונה או רובוטים הקרובים לקנה מידה מיקרוסקופי של ננומטר 10-9 מטר) יַעַד סרטן, במחקר המדהים הזה שפורסם ב טבע ביוטכנולוגיה.

DNA אוריגמי ננובוט: מעביר הקסם

ה-DNA אוריגמי הוא תהליך שבו DNA מקופל ברמה ננומטרית ומשמש לבניית מבנים פעילים בקנה מידה זעיר ביותר (אוריגמי כמו באומנות קיפול הנייר). DNA הוא אחסון גדול של מידע ולכן מבנים שנבנו מתוכו יכולים לשמש כנשאי מידע. בהתאם ליכולת זו, ננו-חלקיקי DNA אלו (או 'ננורובוטים' או 'ננו-רובוטים' או פשוט 'ננו-בוטים') יכולים להזיז ולהרים מטענים בקנה מידה הקטן ביותר עבור משימות ספציפיות בגוף האדם ולכן מתאימים לרבים ננו-רובוטי יישומים. גודלו של ננו-בוט כזה קטן פי 1000 מקווצת שיער אדם בודדת. תחום זה של ננו-רובוטיקה היה מלא בהתרגשות בשני העשורים האחרונים ומומחים רבים התמקדו בפיתוח מבנים ננו-רובוטיים כאלה המבוססים על DNA שיכולים לקפל את עצמם לכל מיני צורות וגדלים כדי לחולל מהפכה ברפואה, במיוחד בטיפול ובמתן תרופות.

טכנולוגיית ננורובוט נמצאת כעת בשימוש נרחב וכבר חוללה מהפכה בתחומים כמו הדמיה רפואית, מכשירים, חיישנים, מערכות אנרגיה וגם רפואה. ברפואה, לננו-בוטים יש יתרונות משמעותיים בעיקר משום שהם אינם מייצרים פעילות מזיקה, אין להם תופעת לוואי אפשרית והם מאוד ספציפיים באיזה אתר בגוף הם יתמקדו וינתחו. עלות הפיתוח הראשונית של ננו-רובוטים עשויה להיות גבוהה, אך הייצור כאשר נעשה בשיטה הקונבנציונלית של עיבוד אצווה מפחית את העלות במידה רבה. יתרה מכך, הגודל הזעיר של הננו-רובוטים הופך אותם לאידיאליים למיקוד חיידקים ווירוסים. כמו כן, ניתן להזריק ננו-רובוט זעיר לגוף בקלות רבה והוא צף בקלות בדם (מערכת הדם) ועוזר באיתור הבעיות ובטיפול בהן. ננו-בוטים צברו משמעות רבה בחקר הסרטן מאחר שהם יכולים להוות אלטרנטיבה חסרת כאב של כימותרפיה, אשר חוץ מזה מלחיץ מאוד ומטיל עומס אישי וכלכלי עצום על המטופל. כימותרפיה היא לא רק דרך קשה לטיפול בסרטן, אלא מלבד תקיפת התאים הסרטניים, ההליך מותיר מספר תופעות לוואי בכל הגוף. עם זאת המדע לא הצליח לגלות חלופה חדשה לכימותרפיה לטיפול במחלה מסכנת חיים זו שנקראת סרטן. לננובוטים יש פוטנציאל לשנות תרחיש זה בשנים הקרובות על ידי היותם אלטרנטיבה יעילה, חכמה וממוקדת יותר שתוקפת סרטן.

מכוון לסרטן

במחקר האחרון הזה, שיתוף פעולה בין אוניברסיטת אריזונה סטייט, ארה"ב, והמרכז הלאומי ל ננו מדע וטכנולוגיה של האקדמיה הסינית למדעים, בייג'ינג, חוקרים תכננו, בנו ונשלטו בקפידה ננו-בוטים אוטומטיים כדי לחפש באופן פעיל ולהשמיד במדויק גידולים סרטניים בתוך הגוף - מבלי לפגוע באף אחד מהתאים הבריאים. הם התגברו על כמה אתגרים שמטרידים מדעני ננו במשך יותר משני עשורים, על ידי תכנון ושימוש באסטרטגיה פשוטה וישירה לחיפוש והשמדת הגידול. האסטרטגיה הייתה לנתק באופן ספציפי את אספקת הדם בתא גידול על ידי גרימת קרישת דם לתא הגידול באמצעות ננו-בוטים מבוססי DNA. אז, הם חשבו על משהו שנראה פשוט - הצמד אנזים מפתח לקרישת דם (הנקרא תרומבין) אל פני השטח של ננו-בוט האוריגמי השטוח, בקנה מידה ננו-דינלי. ארבע מולקולות ממוצעות של תרומבין היו מחוברות למשטח השטוח של ה- ה-DNA גיליון אוריגמי בגודל 90 ננומטר על 60 ננומטר. הגיליון השטוח הזה היה מקופל כמו דף נייר, מה שהופך את הננו-בוטים לצורת צינור חלול. ננו-בוטים אלו הוזרקו לעכבר (שנגרם לגידול אגרסיבי של גידול), הם נסעו לאורך זרם הדם והגיעו ונקשרו ליעדו - הגידולים. לאחר מכן, המטען של ננובוט - האנזים תרומבין - מועבר ובכך חוסם את זרימת הדם של הגידול. לקרישת דם בתוך כלי הדם המזינים את צמיחת הגידול, מה שיוצר הרס של רקמת הגידול או מוות של תאים. כל התהליך הזה, באופן מעניין, קורה מהר מאוד והננו-בוטים מקיפים את הגידול תוך שעות מההזרקה. עדות לפקקת מתקדמת, בכל תאי הגידול נצפתה לאחר 36 שעות של הזרקה.

יתרה מכך, המחברים גם דאגו לכלול מטען מיוחד על פני השטח של הננו-בוט (הנקרא DNA aptamer) אשר יכוון ספציפית לחלבון, הנקרא נוקלאולין, המיוצר בכמויות גבוהות רק על פני השטח של תאי הגידול, ובכך מפחית הסיכוי של ננו-בוטים לתקוף אי פעם את התאים הבריאים לאפס. ננו-בוטים אלה לא רק הפחיתו והרגו את תאי הגידול, אלא גם מנעו גרורות - גידול סרטני משני באתר מרוחק.

בטיחות ויעילות

המחברים מדגישים כי ננו-בוטים בטוחים ואינרטיים מבחינה אימונולוגית לשימוש בעכברים ואפילו חזירים, והשימוש בננו-בוטים לא הראה שינויים בקרישה תקינה של דם במקומות אחרים או במבנה התא או במוח כלשהו. לפיכך, הם הוגדרו בטוחים ויעילים למיקוד וכיווץ גידולים ללא תופעות לוואי בלתי רצויות. רוב הננו-בוטים נראו גם מתכלים ומתנקים מהגוף לאחר 24 שעות. למרות שניתן לעצב את הננו-בוטים במודל 'ננו-בוטים משכפלים', מה שמובן להורדת העלויות מכיוון שיוצרים כמה עותקים וננו-בוטים אחרים נוצרים בעצמם, ברור שיש ליישם גישה כזו רק בנסיבות מיוחדות . בכל הנוגע לתחום הרפואה, גם מתג הרג חסין תקלות צריך להיות במקום כדי למנוע כל נסיבות קיצוניות. הרשויות המשפטיות צריכות לתכנן תקנות כדי למנוע כל שימוש לרעה בננו-בוטים ברפואה, למשל ננו-בוטים מנשקים. כל הגורמים כאשר שוקלים, היעילות של ננו-בוטים מביאה אותנו למצב שלא ניתן להתעלם מהם והסתכלות על הננו-בוטים הפוטנציאליים שלהם תהיה מרכיב חיוני ברפואה בעתיד.

ניתן להשתמש בגישה דומה על בני אדם שכן המחברים הראו שמערכת זו נבדקה גם על מודל ראשוני של סרטן ריאות של עכברים - המחקה את המהלך הקליני של הריאות האנושית סרטן חולים והראו נסיגה של הגידול לאחר טיפול של שבועיים. כמו כן, מחקרים אלו נערכו על עכברים, ותוך שבועיים נצפתה השפעה דומה על סרטן השד, מלנומה, שחלות וסרטן ריאות בבעלי החיים. עם זאת, המחקר צריך להיעשות בבני אדם כדי לאשר את הסבירות של תוצאות דומות ויש לבצע ניסויים קליניים חזקים כדי להשיג את אותו הדבר.

דרך מאוד חכמה וממוקדת לתקוף סרטן

אחד האתגרים העיקריים של טיפול בסרטן הוא להבחין בזהירות ונכונה בין תאי הגידול הסרטניים לתאי הגוף הרגילים והבריאים. הגישה המקובלת להתחמקות והרג תאי גידול - כימותרפיה והקרנות - לא מצליחה למקד את תאי הגידול באופן סלקטיבי מבלי לקיים אינטראקציה עם תאי הגוף הנורמליים. לפיכך, כימותרפיה וגם טיפול בקרינה נוטים לגרום לתופעות לוואי חמורות, קלות וגדולות, לרבות נזק לאיברים אשר מביאים לפגיעה מאוד בטיפול בסרטן ולפיכך שיעורי הישרדות נמוכים בקרב החולים. ננו-בוטים כמו אלה המתוארים במחקר זה הם ראשונים מסוגו ביונקים שהם חזקים ויעילים מאוד בזיהוי תאי גידול והפחתת גדילתם ושגשוגם. מערכת רובוטית DNA זו יכולה לשמש לטיפול סרטן מדויק וממוקד בסוגים רבים של סרטן, מכיוון שכל כלי הדם המזינים את הגידול המוצק זהים בעצם.

מחקר זה סלל את הדרך לעתיד להתחיל לחשוב ולתכנן פתרונות רפואיים מעשיים תוך שימוש בהתקדמות טכנולוגית. המטרה הסופית של חקר הסרטן היא חיסול מוצלח של גידולים מוצקים, ללא תופעות לוואי חמורות וגרורות מופחתות. בהסתכלות על מחקר זה, אנו רואים תקווה עצומה לעתיד שבו האסטרטגיה הנוכחית הזו יכולה להיות אידיאלית להשגת המטרה הסופית להתמודד עם סרטן. ולא רק סרטן, אסטרטגיה זו יכולה להתפתח גם כפלטפורמה לאספקת תרופות לטיפול במחלות רבות אחרות, מכיוון שהגישה תהיה פשוט לשנות את המבנה של ננו-בוטים ולשנות מטענים טעונים. כמו כן, ננו-בוטים יכולים לעזור לנו להבין יותר את המורכבות של הגוף והמוח האנושי. זה גם יעזור בביצוע ניתוחים ללא כאבים ולא פולשניים, אפילו המסובכים שבהם. באופן היפותטי בשלב זה, בשל גודלם, ננו-בוטים יכולים גם לגלוש בתאי המוח ולהפיק את כל המידע הקשור הנדרש למחקר נוסף. בעתיד, נניח בעוד שני עשורים מהיום, זריקה אחת של ננובוט עשויה לרפא מחלות לחלוטין.

***

{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}

מקור (ים)

Li S et al 2018. ננורובוט DNA מתפקד כטיפול סרטן בתגובה לטריגר מולקולרי in vivo. טבע ביוטכנולוגיה. https://doi.org/10.1038/nbt.4071