每年有大約1330萬新發(fā)急性腎損傷(AKI)病例，這是一個嚴(yán)重的疾病。以前稱為急性腎功能衰竭，疾病通常在疾病發(fā)作的數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)產(chǎn)生氮廢物的快速累積并減少尿量。經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的并發(fā)癥。

AKI每年導(dǎo)致170萬人死亡。保護(hù)健康的腎臟免受傷害并治療已經(jīng)受傷的人仍然是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重大挑戰(zhàn)。

在“ 自然生物醫(yī)學(xué)工程 ”雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，郝巖和他在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和中國的同事描述了一種治療和預(yù)防AKI的新方法。他們的技術(shù)涉及使用直徑僅為十億分之一米的微小自組裝形式。

Yan負(fù)責(zé)生物設(shè)計分子設(shè)計和仿生學(xué)中心，是亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院的Martin D. Glick杰出教授。

三角形，管狀和矩形形狀使用稱為DNA折紙的方法設(shè)計和制造。在這里，DNA的四個核苷酸的堿基配對特性被用于工程和制造DNA折紙納米結(jié)構(gòu)(DON)，其自組裝并優(yōu)先在腎臟中積累。

“由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Weibo Cai教授和DNA納米技術(shù)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的納米醫(yī)學(xué)與體內(nèi)成像團(tuán)隊(duì)之間的跨學(xué)科合作，帶來了一種新的應(yīng)用 - 應(yīng)用DNA折紙納米結(jié)構(gòu)來治療急性腎損傷，”Yan說。“這代表了DNA納米技術(shù)研究的新視野。”

在新研究中描述的實(shí)驗(yàn) - 在小鼠和人胚胎腎細(xì)胞中進(jìn)行 - 表明DON充當(dāng)快速和活躍的腎保護(hù)劑并且還可以減輕AKI的癥狀。用正電子發(fā)射斷層掃描(PET)檢查DON的分布。結(jié)果顯示，矩形納米結(jié)構(gòu)特別成功，保護(hù)腎臟免受傷害，與主要的藥物治療一樣有效，并減輕AKI的主要來源，稱為氧化應(yīng)激。

該研究首次通過PET定量成像探索生物系統(tǒng)中DNA納米結(jié)構(gòu)的分布，為治療AKI以及其他腎臟疾病的一系列新治療方法鋪平了道路。

“這是團(tuán)隊(duì)科學(xué)的一個很好的例子，具有多學(xué)科和多國合作，”蔡說。“這四個研究小組位于不同的國家，但他們定期溝通并具有協(xié)同專業(yè)知識。三位同等貢獻(xiàn)的第一作者(Dawei Jiang，Zhilei Ge，Hyung-Jun Im)也有截然不同的背景，一個是放射性標(biāo)記和成像一個是DNA納米結(jié)構(gòu)，一個是臨床核醫(yī)學(xué)。他們一起推動了這個項(xiàng)目。“

重要器官

腎臟在體內(nèi)發(fā)揮重要作用，從血液中去除廢物和多余的水，形成尿液。尿液然后通過輸尿管從腎臟流到膀胱。血液中的廢物是由活躍肌肉和食物的正常分解產(chǎn)生的，身體需要能量和自我修復(fù)。

急性腎損傷的嚴(yán)重程度可能相當(dāng)大。在晚期AKI中，需要腎移植以及支持療法，包括補(bǔ)液和透析。對比誘發(fā)的AKI是一種常見的疾病形式，是由有時用于提高醫(yī)學(xué)成像清晰度的造影劑引起的。臨床上使用稱為N-乙酰半胱氨酸(NAC)的抗氧化藥物來保護(hù)腎臟在這樣的過程中免受毒性攻擊，但是腎臟中藥物的生物利用度差可能限制其有效性。(目前，沒有已知的AKI治愈方法。)

納米醫(yī)學(xué) - 用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米級原子或分子的工程 - 代表了一種新的令人興奮的醫(yī)學(xué)探索和治療途徑。該領(lǐng)域的最新研究已經(jīng)推動了包括AKI在內(nèi)的一系列疾病的成像和治療的改進(jìn)，盡管迄今為止在生命系統(tǒng)中使用納米材料來治療腎病已經(jīng)受到限制。

核酸如DNA和RNA的堿基配對特性使得能夠設(shè)計具有可預(yù)測形狀和大小的微小可編程結(jié)構(gòu)，能夠執(zhí)行多種任務(wù)。此外，由于它們的穩(wěn)定性，低毒性和低免疫原性，這些納米結(jié)構(gòu)理想用于生命系統(tǒng)。

新設(shè)計

目前的研究標(biāo)志著生物體內(nèi)DNA折紙納米結(jié)構(gòu)的首次調(diào)查，使用定量成像來追蹤它們的行為。研究中使用的PET成像允許定量和可靠的實(shí)時方法來研究生物體中DON的循環(huán)并評估它們的生理分布。基于PET分析，矩形DON被鑒定為治療小鼠AKI的最有效治療劑。

Yan和他的同事使用PET成像制備了一系列DON并使用放射性標(biāo)記來研究他們在小鼠腎臟中的行為。PET掃描顯示DONs優(yōu)先積聚在健康小鼠的腎臟以及誘導(dǎo)AKI的腎臟中。在實(shí)驗(yàn)中使用的三種形狀中，矩形DON在保護(hù)和治療方面提供了最大的益處，并且其作用與藥物NAC相當(dāng)，被認(rèn)為是AKI的金標(biāo)準(zhǔn)治療。

患有腎病的患者通常伴有疾病，包括心血管疾病和惡性腫瘤的高發(fā)病率。急性腎病可能是通過氧化應(yīng)激過程誘發(fā)的，這是由于含氧廢物(稱為活性氧物質(zhì))的增加導(dǎo)致脂質(zhì)，蛋白質(zhì)和DNA的損害。當(dāng)自由基和抗氧化防御的微妙平衡變得不穩(wěn)定，引起炎癥并加速腎病的進(jìn)展時，就會發(fā)生這種情況。(富含抗氧化劑的食物和營養(yǎng)補(bǔ)充劑可以保護(hù)細(xì)胞免受活性氧物質(zhì)的有害影響。)

用DNA幾何學(xué)保護(hù)腎臟

新研究中描述的DON的保護(hù)和治療效果是由于納米結(jié)構(gòu)清除活性氧物質(zhì)的能力，從而使易損細(xì)胞免受氧化應(yīng)激造成的損害。在人胚胎腎細(xì)胞系以及活小鼠中研究了這種效應(yīng)。與傳統(tǒng)的AKI療法相比，納米結(jié)構(gòu)在健康和患病腎臟中的積累提供了增加的治療效果。(DON與受影響的腎細(xì)胞孵育后2小時內(nèi)緩解氧化應(yīng)激。)

在引入納米結(jié)構(gòu)后觀察到AKI腎功能的改善 - 與藥物NAC的高劑量施用相當(dāng)。檢查染色的組織樣本進(jìn)一步證實(shí)了DON在腎臟中的有益作用。

作者提出了幾種機(jī)制來解釋腎臟中正確折疊的折紙納米結(jié)構(gòu)的持久性，包括它們對消化酶的抵抗力，避免免疫監(jiān)視和低蛋白質(zhì)吸收。

血清肌酐和血尿素氮(BUN)的水平用于評估小鼠的腎功能。用矩形DON治療的AKI小鼠顯示出改善的腎排泄功能，與使用主線藥物NAC接受治療的小鼠相當(dāng)。

此外，該團(tuán)隊(duì)建立了矩形DONs的安全性，通過檢測白細(xì)胞介素-6和腫瘤壞死因子α的血液水平來評估它們在小鼠中引發(fā)免疫反應(yīng)的可能性。結(jié)果顯示DONs是非免疫原性的，心臟，肝臟，脾臟和腎臟的組織染色顯示它們在原發(fā)器官中的低毒性，使其成為人類臨床使用的有吸引力的候選者。

基于DONs在人腎細(xì)胞培養(yǎng)物和活體小鼠腎臟中有效清除活性氧物質(zhì)，研究得出結(jié)論，該方法確實(shí)可以為AKI腎臟提供局部保護(hù)，甚至可以為AKI損傷的腎臟或其他腎臟提供有效的治療。腎臟疾病。

成功的概念驗(yàn)證研究擴(kuò)展了新型治療可編程納米結(jié)構(gòu)的潛力，旨在解決從智能藥物輸送到精確靶向器官和組織修復(fù)的廣泛醫(yī)療挑戰(zhàn)。