Tháng 2/2018, các nhà khoa học của Đại học bang Arizona và Trung tâm Khoa học & Công nghệ nano quốc gia Trung Quốc đã công bố trên tạp chí hàng đầu về khoa học công nghệ sinh học (Nature Biotechnology) về một nghiên cứu ứng dụng công nghệ DNA-origami (tạo hình bằng DNA) trong điều trị ung thư [1]. Các nanorobot DNA được lập trình như một hệ thống phân phối thuốc thông minh, hướng đích khối u và kích hoạt phân tử mở nanorobot DNA một cách cơ học để cho thuốc được tiếp xúc trực tiếp nhằm tiêu diệt các tế bào ung thư (Hình 1). Đây không chỉ là một bước tiến lớn trong điều trị ung thư hướng đích mà còn khẳng định tiềm năng của công nghệ DNA-origami – công nghệ mới, trong ngành công nghệ sinh học.
Hình 1. Hình ảnh mô phỏng nanorobot trong mạch máu chứa vật liệu sinh học ức chế khối u.
Nguồn: Baoquan Ding và Hao Yan
Công nghệ DNA origami – được biết đến lần đầu tiên vào năm 2006, được Paul Rothemund công bố với thế giới năm 2007 qua bài giới thiệu ngắn trên chương trình TED (TED: Ideas worth spreading) (
https://www.youtube.com/watch?v=WhGG__boRxU&t=9s). Đây là công nghệ tạo ra cấu trúc DNA ở kích thước nano với hình dạng và chức năng mong muốn. Nhà khoa học này đã tạo ra vật thể từ DNA có cấu trúc phẳng với hình dạng tùy ý và nằm trong khoảng 100 nm. Các sợi xoắn kép DNA được đóng gói bằng liên kết chéo giữa các sợi DNA trong cùng mặt phẳng hai chiều (Hình 2). Năm 2009, một nhóm nghiên cứu khác tạo ra dụng cụ chứa rỗng dạng 3D đơn giản, kiểu tứ diện và kiểu khối lập phương. Từ đó, cấu trúc DNA origami được mở rộng một cách đa dạng, nổi bật hơn qua việc tạo các thể đối xứng và không đối xứng. Các nhà khoa học mong muốn mở rộng kích thước của cấu trúc DNA origami để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y sinh học khác nhau như: bất hoạt enzyme, dẫn thuốc hay trong công nghệ lắp ráp vật liệu nano tự động hóa [2–5]
Hình 2. Thiết kế khung DNA origami. (A) Cấu trúc khuân mặt cười. (B) Trong cấu trúc DNA origami, DNA chuỗi đơn dài (màu đen) được gấp lại thành hình dạng mong muốn bởi nhiều chuỗi DNA đơn ngắn (được gọi là staple), liên kết giữa 3 vòng xoắn liền kề có chiều dài thường là 32 nucleotide, trong đó 16 nucleotide trung tâm liên kết với một chuỗi xoắn kép (helix), hai phần còn lại của đầu 8 nucleotide liên kế với các xoắn ốc liền kề (helice). Kích thước mỗi đơn vị là 3,6x3,5 nm (Rothemund, 2006).
Trong nghiên cứu được công bố ở trên, Li và cộng sự [1] đã thực hiện ý tưởng “bỏ đói” khối u bằng cắt cắt nguồn cung cấp máu cho khối u, khiến chúng bị thu nhỏ kích thước và tự bị tiêu diệt mà không tấn công hay làm hại các tế bào khỏe mạnh. Bằng cách sử dụng DNA origami, nhóm nghiên cứu đã thiết lập một hệ thống vận chuyển thuốc được gọi là nanorobot DNA. Những nanorobot này được chức năng hóa bề mặt với DNA aptamer có thể bắt cặp với protein biểu hiện đặc trưng của khối u (Hình 3). Thực chất, nanorobot này là một tấm DNA origami hình chữ nhật (60x90 nm) (I) được gắn với
thrombin (II), enzyme chịu trách nhiệm cho quá trình đông máu. DNA aptamer (AS1411) được thiết kế như những chốt kẹp được gắn dọc theo chiều dài tấm DNA origami để tạo ra nanorobot hình ống với thrombin ở mặt trong (III) (nanorobot-Th). Cấu trúc này được thiết kế sao cho khi nó bắt gặp
nucleolin, một protein đặc hiệu cho bề mặt của các tế bào mạch máu trong khối u, ống nanorobot mở ra và làm bộc lộ các vật liệu chứa bên trong nó (IV). Các nhà khoa học tiêm nanorobot theo đường tĩnh mạch vào chuột đang mang khối u ung thư vú. Bằng cách bắt cặp với nucleokin tại vị trí khối u, thromin đóng gói trong nanorobot-th được tự động kích hoạt tại đúng vị trí khối u gây đông máu cục bộ và hoại tử tế bào khối u (Hình 4). Nanorobot-th cũng được kiểm chứng an toàn và trơ miễn dịch ở chuột và mẫu vật thu nhỏ từ lợn Bama.
Hình 3. Mô hình thiết kế và đặc tính của nanorobot DNA chứa phức hợp protein Thrombin-DNA.
Hình 4. Sơ đồ cơ chế trị liệu của nanorobot Thrombin-DNA trong mạch khối u.
Thành công của nghiên cứu không chỉ là bước đột phá trong ứng dụng công nghệ DNA-origami mà còn khẳng định sự thành công của định hướng chẩn đoán và điều trị ung thư hướng đích, mở ra tiềm năng to lớn trong chiến lược phát triển công nghệ vận chuyển thuốc bằng cách sửa đổi hình dạng và cấu trúc nano, thành phần chức năng hóa bề mặt cũng như các tác nhân đặc hiệu. Nghiên cứu được xem như nền tảng cho những sự kết hợp tiềm năng giữa các nanorobot được thiết kế thông minh mang các tác nhân khác nhau có thể giúp hoàn thành mục tiêu cuối cùng trong nghiên cứu ung thư: loại bỏ các khối u rắn và khối u di căn mạch máu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Li S,
et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo.
Nat Biotechnol 2018; 36(3): 258–264.
[2] Zadegan RM,
et al. Construction of a 4 Zeptoliters Switchable 3D DNA Box Origami.
ACS Nano 2012; 6(11):10050–10053
[3] Jiang Q,
et al. DNA Origami as a Carrier for Circumvention of Drug Resistance.
J Am Chem Soc 2012; 134(32): 13396–13403.
[4] DNA origami could allow for ‘autonomous’ delivery. The Guardian. 14 May 2012. Available at: https://www.theguardian.com/nanotechnology-world/dna-origami-gets-into-the-fold-of-drug-delivery?newsfeed=true. [Accessed: 26-Feb-2019].
[5] Folded DNA becomes Trojan horse to attack cancer. Newscientist, 15-Aug-2012. [Online]. Available at: https://www.newscientist.com/article/mg21528785-400-folded-dna-becomes-trojan-horse-to-attack-cancer/. [Accessed: 26-Feb-2019].
Ms. Phạm Thị Minh Huyền
Trường Đại học Hanyang, Seoul, Hàn Quốc
