3D打印的DNA涂層化療過濾器開啟了癌癥靶向治療的大門

2021年6月29日，南極熊獲悉，加州理工學(xué)院和加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出載有DNA涂層的3D打印結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒒�療藥物�?dǎo)向受影響的器官，并且遠(yuǎn)離健康組織。

研究人員研發(fā)的新型設(shè)備名為"Chemo Filters"，它可以在化療期間經(jīng)過動脈注入患者體內(nèi)，以引流受影響的器官并防止毒劑進(jìn)入其血液中。該團(tuán)隊說，由于其基因組DNA涂層，Chemo Filters能夠高效地捕獲阿霉素，并使患者免受非目標(biāo)毒性的副作用。

△3D打印藥物吸收器的SEM圖像通過在他們的設(shè)備上涂抹基因組DNA，研究團(tuán)隊能夠賦予它們藥物吸收的特性。圖片來自《Applied Materials》雜志。

化療過濾創(chuàng)新

根據(jù)美國癌癥協(xié)會的研究，到2040年，癌癥死亡人數(shù)將達(dá)到1600萬，這一統(tǒng)計數(shù)字讓人對目前的治療效果產(chǎn)生懷疑。雖然化療已經(jīng)成為對抗疾病的有力工具，但其成功仍然受到"全身毒性"的限制，這種現(xiàn)象是指沒有被癌細(xì)胞吸收的藥物反而殺死了健康的細(xì)胞，往往造成器官的損傷。

更糟糕的是，許多化療藥物在較高的劑量下顯示出更大的療效，迫使臨床醫(yī)生在最大限度地抑制腫瘤和避免對周圍組織的損害之間做出選擇。在已經(jīng)開發(fā)出更多靶向治療的地方，它們也伴隨著冗長的研發(fā)時間以及其他使人衰弱的副作用，這可能使治療對患者來說不受歡迎。

為了解決這個問題，加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們在2014年首次創(chuàng)造了Chemo Filters，它的外部被包覆了DNA，這樣化療藥物就會攻擊它們而不是健康細(xì)胞。盡管團(tuán)隊試圖對最初設(shè)計進(jìn)行迭代，但藥物結(jié)合材料的局限性阻礙了升級設(shè)備的生產(chǎn)。

然而，最近加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，磺化的3D打印共聚物具有良好的藥物捕獲潛力。從他們同行業(yè)的成功中得到啟發(fā)，加州理工學(xué)院和加州大學(xué)舊金山分校的團(tuán)隊現(xiàn)在提出，用DNA涂抹聚丙烯酸酯，可以使它們在體外藥物捕獲的應(yīng)用中更加有效。

△研究人員3D打印了加載有DNA的部件和控制部件，并發(fā)現(xiàn)靜電相互作用是實現(xiàn)DNA結(jié)合的最有效手段。圖片來自《Applied Materials》雜志

包覆DNA的 "化療過濾器

首先，科學(xué)家們使用Autodesk Ember DLP 3D打印機(jī)和PR48樹脂生產(chǎn)了一套12mm（寬）x 2.5mm（高）的立方格。每個設(shè)備都有16 x 16 x 3個內(nèi)部單元，開口為500 μm，使它們大到足以讓細(xì)胞流過，而且其整體結(jié)構(gòu)足夠小，適合體外部署。

一旦準(zhǔn)備就緒，研究團(tuán)隊使用兩種不同的技術(shù)在他們的部件上涂上基因組DNA。在第一種方法中，未經(jīng)處理的晶格被浸泡在酸性DNA溶液中，而在第二種方法中，研究人員結(jié)合靜電相互作用和紫外線交聯(lián)，將帶負(fù)電的基因組結(jié)合到他們的設(shè)備上。

在科學(xué)家們進(jìn)行測試之前，他們就已經(jīng)知道，前者導(dǎo)致DNA鏈結(jié)成纖維狀，而不是涂在晶格表面，從而導(dǎo)致更少的層。為了最大限度地提高其設(shè)備的藥物吸收性能，并防止?jié)撛诘腄NA "泄漏"，該團(tuán)隊因此在測試前將其浸泡在PBS中，在此期間他們將其暴露在體外條件下的阿霉素中。

與普通晶格相比，研究人員的新型設(shè)備被證明能夠捕獲幾乎兩倍數(shù)量的癌癥藥物，每30分鐘就會有100pg的基因組DNA滲漏到每平方毫米的材料上。這使得該團(tuán)隊得出結(jié)論：他們的研究成果代表著朝著設(shè)備轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用邁出了重要一步。

該團(tuán)隊在其論文中總結(jié)道："從設(shè)備方法中減少化療中的脫靶毒性具有巨大的意義，并有可能改善我們管理癌癥的方式。更廣泛地說，我們希望這種藥物捕獲的概念可以擴(kuò)展到解決醫(yī)學(xué)中其他必須與脫靶毒性抗?fàn)幍膯栴}。"

AM的副作用緩解裝置

研究人員正在越來越多地開發(fā)新型3D打印材料和方法，以幫助減輕那些正在接受化療的癌癥患者的痛苦。就在上個月，一個科學(xué)家合作開發(fā)了3D打印的胃腸屏蔽器，有效地減少了健康口腔和胃部細(xì)胞的輻射達(dá)30%。

在北卡羅來納州立大學(xué)，研究人員用添加劑制造了乳房放療天線，供病人在微波熱療過程中佩戴。這些設(shè)備不僅可以定制，使佩戴者更加舒適，而且它們的介電常數(shù)有可能被調(diào)整到優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備。

同樣，浦項科技大學(xué)（POSTECH）的科學(xué)家們也3D打印了能夠緩解食道炎癥狀的咽喉支架�；�于一種細(xì)胞衍生的生物墨水，該團(tuán)隊的啞鈴形裝置旨在幫助減少放療引起的任何口腔炎癥，使患者能夠更舒適地進(jìn)食。

有關(guān)這想研究的具體細(xì)節(jié)詳見他們的論文，題為 " “3D-Printed Drug Capture Materials Based on Genomic DNA Coatings "，論文由Daryl W Yee, Steven W Hetts和Julia R Greer共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34124877/