光束和DNA笼可以将药物运送到正确的位置
生物医学工程师薛涵表示，新方法可能有助于癌症和脑部疾病的基础澳门威尼斯人注册网站研究和治疗
生物医学工程助理教授薛涵（音）发现了一种利用DNA笼和闪光灯进行靶向药物递送的方法。西德尼·斯科特摄
让药物在人体内到达你想要的地方并不是一件容易的事，使用高剂量的化学物质，通过血液输送到错误的组织或器官，可能会导致有毒的副作用。这就是为什么科学家们多年来一直在澳门威尼斯人注册网站研究如何将更小的剂量用于精确的目标——例如，开发只与肿瘤细胞结合的化疗药物。现在，波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员已经开发出一种新方法，将药物或其他分子困在由DNA制成的小笼子里，然后在它们到达正确的位置时通过快速闪光释放它们。
波士顿大学工程学院生物医学工程助理教授韩雪说：“基本上这是一种控制药物释放的方法，直到现在还没有很好的方法。”“我们所做的是把这些药物放在一个笼子里。”
药物是分子，其中很多都很大，表面有不同的区域，使它们能够与具有互补区域的受体结合，就像拼图片拼在一起，使它们能够附着在细胞上并与细胞相互作用。问题是，有些细胞有受体，即使它们不是药物应该针对的细胞，也会吸收特定的药物。传统上，科学家们通过在分子表面添加小的化学基团来解决这个问题，这样受体就不会识别它。韩是彼得·保罗职业发展学院的教授，他说这就像给毒品戴上一顶小小的化学帽子来掩饰它。对于一些小分子药物来说，这种方法效果很好。
但是有些药物，比如蛋白质，太大了，微小的修饰都掩盖不了它。她说：“一个大蛋白质戴着一个小帽子，看起来仍然是同一个蛋白质。”
她的想法是将蛋白质包裹在一个笼子里，使其完全不受受体的影响。“与这种药物发生反应的东西看不到药物，”她说。“它会看到一个盒子。”韩和她的澳门威尼斯人注册网站研究合著者，韩实验室的前博士后Richie Kohman，生物力学工程澳门威尼斯人注册网站研究生Susie Cha，以及波士顿大学文理学院生物学副教授Hengye Man，在2016年3月发表在ACS nanolletters上的一篇论文中描述了他们的方法。
为了制作这个盒子，他们采用了一种名为DNA折纸的技术，这种技术以日本将纸张折叠成复杂形状的艺术命名，科学家们在过去十年中一直在使用这种技术。科学家们可以按照他们想要的顺序，用核酸制造出一条DNA链。他们将链加热到接近沸点，然后让它们慢慢冷却，不同核酸之间的自然吸引力和排斥力使链弯曲并折叠成所需的形状。科曼是一名生物材料工程师，他和韩用DNA折纸创造了一个50纳米宽的开放式桶，里面有一个20纳米的空腔。“它足够大，可以容纳一些大的蛋白质，”韩说。
为了将药物保持在笼子里，他们在笼子里留下一小段不附着的DNA，然后添加更多的小分子作为小链，与药物结合并将其固定在适当的位置。这些链是这样设计的，一束光的一小束能量就会打破它们，使蛋白质自由。一旦笼子在正确的位置，光线就会折断链条，药物就会飘出去，缠绕在它们想要的地方。
澳门威尼斯人注册网站研究人员使用一种称为俄勒冈绿的荧光染料来测试他们的系统，这种染料通常用于标记蛋白质和其他生物分子。他们将染料分子困在笼子里，然后用低功率的紫外线束照射它们。暴露40秒后，几乎所有的染料都离开了笼子。
染料是一种小分子。为了验证该方案是否适用于更大的蛋白质，澳门威尼斯人注册网站研究人员捕获了另外两种分子。一种是从牛血中提取的蛋白质。另一种是链霉亲和素，一种用于将药物与癌细胞结合的分子。在低强度光照射大约一分钟后，大多数蛋白质从笼子里逃了出来。
最后，为了检查这个过程是否会抑制分子的生物活性，他们在一种叫做谷氨酸的小分子上尝试了这种技术，这种小分子会影响脑细胞的活性。他们将笼中的谷氨酸添加到培养的脑细胞中，用短暂的光照射它们，然后测量脑细胞中钙的流动是如何变化的。仅仅1毫秒的闪光就足以释放谷氨酸并增加细胞中的钙活性。
这一发现让阿憨最为兴奋。她澳门威尼斯人注册网站研究神经科学，正在寻找方法来了解脑细胞的活动，并提供可以影响这种活动的药物。例如，正在澳门威尼斯人注册网站研究的某些分子可能会减缓帕金森病的进展，如果它们能被送到正确的地方。“我对所有这些神经肽激素都很感兴趣。大脑中有很多这样的细胞，”韩说。“我们知道肽激素非常重要。我们只是不知道它们是如何工作的。”
治疗脑部疾病（包括癌症）的任何药物都存在一个困难，那就是如何让药物通过血脑屏障。虽然这道屏障阻止了大多数分子从血液中进入脑细胞，但也有一些分子很容易通过，利用它们将笼子里的分子运送到大脑是有可能的。这可能意味着将药物直接输送到帕金森氏症患者的大脑中，而无需将针扎进大脑。
一个问题是，如果这些笼子在身体深处，如何让光线进入这些笼子。这是其他人仍在努力的事情，韩说。虽然实验使用的是紫外线，但使用红外光可能效果更好，红外光可以相当深入地穿透组织，而且比紫外线更不容易损伤细胞。化学家们已经创造出了在红外光下发生破坏的分子变化。也有可能通过使用内窥镜将光线照射到身体的某些部位。
当然，任何对人类的使用都需要获得美国食品和药物管理局的批准，这将需要数年的测试。但是对于涉及培养皿中的细胞的实验室澳门威尼斯人注册网站研究，这项技术几乎可以立即使用，韩说。她说，事实上，从基础澳门威尼斯人注册网站研究到治疗神经系统疾病再到对抗癌症，它的潜在用途可能会很多。“我认为它有非常广泛的应用。”
韩的澳门威尼斯人注册网站研究得到了美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院、皮尤基金会、阿尔弗雷德·p·斯隆基金会和波士顿大学生物医学工程系的资助。
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