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科学家们创造了一种通用的组装方法来加强癌症治疗和诊断
时间:2019-10-24 12:52:13 评论:0 收藏本文 复制本页地址 (按Ctrl+D可以收藏到浏览器)

生物物理学家已经开发出一种方法,通过用生物分子覆盖微小和纳米颗粒的表面来修饰它们的表面,这种微小的结构的测量范围在千分之一到百万分之一毫米之间。以这种方式设计的粒子可以同时作为治疗剂和诊断剂,向癌细胞输送药物。

这篇论文发表在美国化学学会应用材料与界面杂志上。其作者是莫斯科物理与技术研究所(MIPT)、俄罗斯科学院生物有机化学研究所(IBCH-RAS)、国家研究核大学MEPHI、Sechenov大学和麦格理大学(澳大利亚)的研究人员。

魔法子弹:寻求治疗

“魔法子弹”的概念最初是由1908年诺贝尔生理学或医学奖获得者保罗·埃利希于1900年左右提出的。他设想了一种药物,其成分可以识别体内的病原体,另一种成分可以作用于靶点。通常,这种药物靶向受损细胞表面的受体。这些受体也能让这种物质识别细胞。这种通用系统可用于诊断、治疗或两者兼用。当治疗和诊断相结合时,这被称为治疗学。

为了制造一个包含治疗和诊断成分的系统,需要一种“分子胶”将两个部分固定在一起。这种胶可以通过相互结合形成稳定的复合体。其中一个最稳定的复合物是Barnase-Barstar蛋白对。有一个称为结合常数的值,它表征了复合物中分子的耦合强度。Barnase-Barstar复合物的结合常数是抗原抗体复合物的1000-100万倍,这是我们免疫反应的基础。

Barnase和Barstar可用于设计各种治疗功能模块。例如,barnase可以与治疗剂结合,如抗体、药物、荧光分子等,而barstar可以与靶向剂融合。这个概念是由IBCHras分子免疫学实验室的负责人谢尔盖·德耶夫提出的。然后将这两个模块结合,形成具有治疗和诊断特性的双功能化合物,并实现靶向药物输送。通过将barnase和barstar与各种治疗和诊断分子融合,研究人员可以基于相同的原理开发出一系列治疗剂。这些分子结构可以被带到纳米或微粒的表面。这些粒子本身可以具有辅助性质,包括荧光或当暴露在辐射下时被破坏的能力,杀死周围的有害细胞,如癌细胞。许多不同类型的分子结构可以沉积在一个微小的颗粒上,这可能增加其治疗效果。

分子组装试剂盒

许多实验室正在积极研究利用纳米和微粒来输送药物的概念。俄罗斯和澳大利亚的研究人员利用Barnase-Barstar蛋白复合物开发了一种基于纳米颗粒的热老化剂,并对其性质进行了研究。

MIPT纳米生物技术实验室的研究员、生物有机化学研究所分子免疫学实验室的高级研究员维多利亚·希普诺瓦说:“目前使用的大多数将生物分子与纳米颗粒进行化学耦合的方法都存在严重缺陷。”生物分子的空间方向控制不好,在与目标结合时会遇到问题。耦合分子的密度相当低,而且这一过程非常耗时。”

相关报道研究人员鉴定遗传性胰腺癌风险突变罗斯韦尔公园获得1500多万美元的癌症研究资助。治疗胰腺癌的新药在临床试验中显示出很有前景的结果“我们开发了一种基于Barnase-Barstar蛋白对的方法不会改变靶向分子的空间结构。另外两个优点是它的高特异性和快速耦合:所有模块绑定只需几分钟,”她解释说。

研究人员使用二氧化硅涂层颗粒作为分子复合体的载体。本文所描述的生物结构的主要目标是癌细胞,可通过其表面的her2/neu肿瘤标记物识别,如图2所示为红细胞。her2/neu是一种负责细胞生长和分裂的蛋白质,存在于健康细胞中。然而,在癌细胞中,这种蛋白过多或过表达,使它们无法控制地生长和分裂。

图2.异常结构工作原理。图片由论文作者和《关于氦的狮子》作者提供,MIPT新闻办公室

研究人员使用设计的锚蛋白重复蛋白(darpins)类的分子作为识别her2/neu蛋白的靶向剂。如图1和图2所示,Darpins为浅蓝色钟形结构,是能够选择性结合到目标分子的小且高度稳定的蛋白质。除了能识别癌细胞的达平分子外,这种结构还需要结合一种能与载体粒子表面结合的分子,即与二氧化硅结合。为此,研究人员使用了麦格理大学通过理性设计获得的二氧化硅结合肽。结果,他们创造了以下结构:纳米或微粒被二氧化硅包裹,其中barnase-darpin模块通过与barstar融合的二氧化硅结合肽连接(图1)。重要的是,所涉及的每一个元素都可以被修改,甚至替换,从而修改整体结构的属性。在某种程度上,它类似于构建基块的分子套件,可以通过多种方式组装,产生不同的治疗剂。

图1.基于纳米颗粒和巴纳酶-巴士达蛋白复合物的结构组装。图片由论文作者和《关于氦的狮子》作者提供,MIPT新闻办公室

事实上,研究人员已经创造了一种通用的组装方法,它允许一些具有治疗和诊断潜力的分子容易结合,同时保留它们的空间结构和性质。

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