درمان بیماری‌های لاعلاج: انقلاب هوش مصنوعی + طراحی اتمی در نانوپزشکی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک انقلاب علمی در حال انجام است، زیرا محققان تلاش می‌کنند تا دقت سطح اتمی را که زمانی برای دارو‌های مولکولی کوچک در نظر گرفته شده بود، به حوزه نانوپزشکی بیاورند.

با کنترل دقیق ساختار درمان‌های نانومقیاس، آنها واکسن‌ها و درمان‌های مؤثرتری برای سرطان، عفونت‌ها و بیماری‌های خودایمنی ایجاد می‌کنند. دانشمندان در حال کنار گذاشتن روش قدیمی «مخلوط‌کننده» توسعه واکسن برای رویکرد‌های ساختاری پیچیده هستند و نوآوری‌هایی مانند اسید‌های نوکلئیک کروی و شیمی‌فلار‌ها را به نمایش می‌گذارند. این پیشرفت‌ها، که توسط هوش مصنوعی هدایت می‌شوند، نشان‌دهنده یک جهش جسورانه در نحوه مهندسی پزشکی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها هستند - و دانشگاه نورث وسترن رهبری این کار را بر عهده دارد.

مسائل دقیق: کنترل سطح اتمی در پزشکی

برای چندین دهه، اکثر دارو‌های دارویی با دقت در سطح اتمی ساخته شده‌اند. قرارگیری دقیق هر اتم در یک مولکول دارو می‌تواند تعیین کند که چقدر مؤثر است - و چقدر ایمن است. به عنوان مثال ایبوپروفن را در نظر بگیرید: یک نسخه از مولکول آن درد را تسکین می‌دهد، در حالی که تصویر آینه‌ای آن هیچ کاری نمی‌کند.

اکنون، دانشمندان دانشگاه نورث وسترن و ماس جنرال بریگهام معتقدند که همین سطح از دقت ساختاری باید در نسل جدیدی از نانودارو‌ها اعمال شود - درمان‌هایی که در مقیاس نانو برای مقابله با برخی از جدی‌ترین بیماری‌ها ساخته شده‌اند. برخلاف دارو‌های سنتی، نانودارو‌های فعلی، مانند واکسن‌های mRNA، از ذره‌ای به ذره دیگر بسیار متفاوت هستند. هیچ دو دقیقاً شبیه هم نیستند، که می‌تواند بر ثبات و اثربخشی تأثیر بگذارد.

آینده واکسن‌ها و درمان بیماری‌ها

برای تغییر آن، محققان در حال توسعه روش‌هایی برای کنترل دقیق‌تر ساختار نانودارو‌ها هستند. این کنترل به دانشمندان اجازه می‌دهد تا نحوه تعامل این درمان‌ها با بدن را به دقت تنظیم کنند - که به طور بالقوه منجر به واکسن‌های قوی‌تر و درمان‌های هدفمند برای سرطان، بیماری‌های عفونی، شرایط عصبی و اختلالات خودایمنی می‌شود.

دیدگاه آنها در مورد این تغییر در طراحی دارو امروز (۲۵ آوریل) در Nature Reviews Bioengineering منتشر خواهد شد.

اسید نوکلئیک کروی (SNA)

SNA‌ها شکل کروی DNA هستند که به راحتی می‌توانند وارد سلول‌ها شده و به اهداف متصل شوند. موثرتر از DNA خطی همان توالی، SNA‌ها پتانسیل قابل توجهی را در تنظیم ژن، ویرایش ژن، تحویل دارو و توسعه واکسن نشان داده‌اند - حتی در موارد خاص، اشکال مرگبار سرطان پوست را در یک محیط بالینی درمان می‌کنند. SNA‌ها نمونه‌ای از چگونگی تغییر طراحی ساختاری نحوه تعامل یک دارو با بدن هستند. 

میراث مولکول کوچک با نانوتکنولوژی ملاقات می‌کند

چاد آ. میرکین از Northwestern که نویسنده این مقاله است، گفت: «از لحاظ تاریخی، بیشتر دارو‌ها مولکول‌های کوچکی بوده‌اند. "در دوران مولکول‌های کوچک، کنترل قرارگیری هر اتم و هر پیوند در یک ساختار خاص بسیار مهم بود. اگر یک عنصر در جای خود نباشد، ممکن است کل دارو را بی‌اثر کند. اکنون، ما باید آن کنترل دقیق را به نانوپزشکی بیاوریم. نانوپزشکی ساختاری نشان‌دهنده تغییری عظیم در نحوه برخورد ما با تمرکز بر روی جزئیات درمانی و توسعه درمانی متفاوت است. اجزای دارویی در یک ساختار بزرگتر نمایش داده می‌شوند، ما می‌توانیم مداخلاتی را طراحی کنیم که موثرتر، هدفمندتر و در نهایت برای بیماران مفیدتر باشد.

میرکین که پیشگام در نانوپزشکی است، جورج بی راثمان، استاد شیمی، مهندسی شیمی و بیولوژیکی، مهندسی زیست پزشکی، علوم و مهندسی مواد، و پزشکی در نورث وسترن است، جایی که او در کالج هنر و علوم واینبرگ، دانشکده مهندسی مک کورمیکین و دانشکده مهندسی مک کورمیکین و مک کورمیکین قرار دارد. او همچنین مدیر مؤسس مؤسسه بین المللی نانوتکنولوژی (IIN) است. میرکین این دیدگاه را با میلان مرکسیچ، استاد مهندسی زیست پزشکی هنری وید راجرز در مک کورمیک، استاد شیمی در واینبرگ و پروفسور زیست شناسی سلولی و تکاملی در فاینبرگ، نویسندگی کرد؛ و ناتالی آرتزی، رئیس نانوپزشکی ساختاری در موسسه ژن و سلول درمانی در ماس جنرال بریگهام، دانشیار پزشکی در دانشکده پزشکی هاروارد و یکی از اعضای هیئت علمی در موسسه Wyss برای مهندسی الهام گرفته از بیولوژیکی در دانشگاه هاروارد.

بازنگری در «رویکرد مخلوط کن» به واکسن

در رویکرد‌های مرسوم برای طراحی واکسن، محققان عمدتاً بر ترکیب اجزای کلیدی با یکدیگر تکیه کرده‌اند. برای مثال، ایمونوتراپی‌های معمول سرطان، شامل یک مولکول یا مولکول‌های سلول‌های تومور (به نام آنتی‌ژن) هستند که با یک مولکول (به نام ادجوانت) که سیستم ایمنی را تحریک می‌کند، جفت می‌شوند. پزشکان آنتی ژن و ادجوانت را با هم در یک کوکتل مخلوط کرده و سپس مخلوط را به بیمار تزریق می‌کنند.

میرکین این را "رویکرد مخلوط کن" می‌نامد - که در آن اجزاء کاملاً بدون ساختار هستند. در مقابل، نانودارو‌های ساختاری می‌توانند برای سازماندهی آنتی ژن‌ها و ادجوانت‌ها استفاده شوند. هنگامی که در مقیاس نانو ساختار می‌یابد، همان اجزای دارویی در مقایسه با نسخه‌های بدون ساختار، اثربخشی افزایش یافته و عوارض جانبی کاهش یافته را نشان می‌دهند. با این حال، برخلاف دارو‌های مولکولی کوچک، این نانودارو‌ها هنوز در سطح مولکولی نادقیق هستند.

میرکین گفت: هیچ دارویی در یک دسته یکسان نیست. " واکسن‌های نانومقیاس دارای تعداد متفاوتی از لیپیدها، نمایش‌های متفاوت لیپیدها، مقادیر متفاوت RNA و اندازه‌های مختلف ذرات هستند. تعداد نامتناهی متغیر در فرمول‌بندی‌های نانوپزشکی وجود دارد. این ناهماهنگی منجر به عدم قطعیت می‌شود. هیچ راهی برای دانستن اینکه آیا شما مؤثرترین و مطمئن‌ترین ساختار را در بین بهترین ساختار‌ها دارید، وجود ندارد.

طراحی با دقت سطح اتمی

برای پرداختن به این مشکل، میرکین، مرکسیچ و آرتزی از تغییر به سمت نانودارو‌های ساختاری دقیق‌تر حمایت می‌کنند. در این رویکرد، محققان نانودارو‌هایی را از ساختار‌های هسته‌ای که از نظر شیمیایی به خوبی تعریف شده‌اند، می‌سازند که می‌توانند دقیقاً با اجزای درمانی متعدد در یک آرایش فضایی کنترل‌شده مهندسی شوند. با کنترل طراحی در سطح اتمی، محققان می‌توانند قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای، از جمله ادغام چندین عملکرد در یک دارو، درگیری بهینه هدف، و انتشار دارو در سلول‌های خاص را باز کنند.

در این مقاله، نویسندگان سه نمونه از نانودارو‌های ساختاری پیشرو را ذکر می‌کنند: اسید‌های نوکلئیک کروی (SNAs)، شیمی‌فلار‌ها و مگامولکول‌ها. اختراع شده توسط Mirkin، SNA‌ها شکل کروی از DNA هستند که به راحتی می‌توانند وارد سلول‌ها شده و به اهداف متصل شوند. موثرتر از DNA خطی همان توالی، SNA‌ها پتانسیل قابل توجهی را در تنظیم ژن، ویرایش ژن، تحویل دارو، و ساخت واکسن نشان داده‌اند - حتی در موارد خاص در درمان انواع کشنده سرطان پوست در یک محیط بالینی.

میرکین گفت: «ما ثابت کرده‌ایم که نمایش ساختاری کلی یک واکسن یا داروی مبتنی بر SNA - نه صرفاً اجزای شیمیایی فعال - به طور چشمگیری بر قدرت آن تأثیر می‌گذارد. این یافته می‌تواند به درمان‌هایی برای بسیاری از انواع مختلف سرطان منجر شود. در موارد خاص، ما از آن برای درمان بیمارانی استفاده کرده‌ایم که با هیچ درمان شناخته‌شده دیگری قابل درمان نیستند.»

chemoflares که توسط Artzi و Mirkin ساخته شده‌اند، نانوساختار‌های هوشمندی هستند که دارو‌های شیمی‌درمانی را در پاسخ به نشانه‌های مرتبط با بیماری در سلول‌های سرطانی آزاد می‌کنند؛ و مگامولکول‌هایی که توسط Mrksich اختراع شده‌اند، ساختار‌های پروتئینی دقیقاً مونتاژ شده‌ای هستند که آنتی‌بادی‌ها را تقلید می‌کنند. محققان می‌توانند همه این نوع نانودارو‌های ساختاری را برای حمل چندین عامل درمانی یا ابزار‌های تشخیصی مهندسی کنند.

تحویل داروی هدفمند و پاسخگو

آرتزی می‌گوید: «با مهار بافت‌های خاص بیماری و نشانه‌های سلولی، نانودارو‌های نسل بعدی می‌توانند به انتشار دارویی بسیار موضعی و به موقع دست یابند - نحوه و مکان‌های عمل درمانی در بدن را تغییر می‌دهند.» این سطح از دقت به ویژه برای درمان‌های ترکیبی بسیار مهم است، جایی که تحویل هماهنگ چند عامل می‌تواند به طور چشمگیری اثر درمانی را افزایش دهد و در عین حال سمیت سیستمیک را کاهش دهد و اثرات خارج از هدف را به حداقل برساند.

هوش مصنوعی: کاتالیزور برای بهینه سازی ساختاری

نویسندگان می‌گویند که در آینده، محققان باید به چالش‌های فعلی در مقیاس پذیری، تکرارپذیری، تحویل و ادغام چند عامل درمانی بپردازند. نویسندگان همچنین بر نقش فزاینده مهم فناوری‌های نوظهور مانند یادگیری ماشین و هوش مصنوعی (AI) در بهینه‌سازی پارامتر‌های طراحی و تحویل تاکید می‌کنند.

میرکین گفت: وقتی به ساختار نگاه می‌کنیم، گاهی اوقات ده‌ها هزار امکان برای نحوه چیدمان اجزا در نانودارو‌ها وجود دارد. "با هوش مصنوعی، می‌توانیم مجموعه‌های عظیمی از ساختار‌های ناشناخته را به تعداد انگشت شماری برای سنتز و آزمایش در آزمایشگاه محدود کنیم. با کنترل ساختار، می‌توانیم قوی‌ترین دارو‌ها را با کمترین احتمال عوارض جانبی ایجاد کنیم. می‌توانیم اجزای دارویی مانند اسید‌های نوکلئیک را بازسازی کنیم تا موجوداتی ایجاد کنیم که دارای ویژگی‌هایی هستند که دارای خواصی هستند که بسیار فراتر از آن چیزی است که DNA ما دیده‌ایم. هیجان زده هستیم تا ببینیم آینده چه خواهد بود.