研究人員開發了一種治療急性腎損傷的新方法：用納米技術治療腎臟

每年有大約1330萬新發急性腎損傷（AKI）病例，這是一個嚴重的疾病。以前稱為急性腎功能衰竭，這種疾病通常在疾病發作的數小時或數天內產生含氮廢物的快速積累並減少尿量。經常發生嚴重的併發症。

AKI每年導致170萬人死亡。保護健康的腎臟免受傷害並治療已經受傷的人仍然是現代醫學的重大挑戰。

在「 自然生物醫學工程 」雜誌上發表的一項新研究中，郝岩和他在威斯康星大學麥迪遜分校和中國的同事描述了一種治療和預防AKI的新方法。他們的技術涉及使用直徑僅為十億分之一米的微小自組裝形式。

Yan負責生物設計分子設計和仿生學中心，是亞利桑那州立大學分子科學學院的Martin D. Glick傑出教授。

三角形，管狀和矩形形狀使用稱為DNA摺紙的方法設計和製造。在這裡，DNA的四個核苷酸的鹼基配對特性被用於工程和製造DNA摺紙納米結構（DON），其自組裝並優先在腎臟中積累。

「由威斯康星大學麥迪遜分校的Weibo Cai教授和DNA納米技術團隊領導的納米醫學與體內成像團隊之間的跨學科合作，帶來了一種新的應用 - 應用DNA摺紙納米結構來治療急性腎損傷，」Yan說。「這代表了DNA納米技術研究的新視野。」

新研究中描述的實驗 - 在小鼠和人胚胎腎細胞中進行 - 表明DON充當快速和活躍的腎保護劑，並且還可以緩解AKI的癥狀。用正電子發射斷層掃描（PET）檢查DON的分布。結果顯示，矩形納米結構特別成功，保護腎臟免受傷害，與主要藥物治療一樣有效，並減輕AKI的主要來源，稱為氧化應激。

該研究首次通過PET定量成像研究DNA納米結構在生命系統中的分布，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。

「這是團隊科學的一個很好的例子，具有多學科和多國合作，」蔡說。「這四個研究小組分布在不同的國家，但他們定期溝通並具有協同專業知識。三位同等貢獻的第一作者（Dawei Jiang，Zhilei Ge，Hyung-Jun Im）也有不同的背景，一個是放射性標記和成像一個是DNA納米結構，另一個是臨床核醫學。他們一起推動了這個項目。「

重要器官

腎臟在體內發揮重要作用，從血液中去除廢物和多餘水分，形成尿液。尿液然後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生的，身體需要能量和自我修復。

急性腎損傷的嚴重程度可能相當大。在晚期AKI中，需要腎移植以及支持療法，包括補液和透析。對比誘發的AKI是一種常見的疾病形式，是由有時用於提高醫學成像清晰度的造影劑引起的。臨床上使用稱為N-乙醯半胱氨酸（NAC）的抗氧化藥物來保護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治癒方法。）

納米醫學 - 用於生物醫學應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學探索和治療途徑。該領域的最新研究推動了包括AKI在內的一系列疾病的成像和治療的改進，儘管迄今為止在生命系統中使用納米材料來治療腎病迄今受到限制。

核酸如DNA和RNA的鹼基配對特性使得能夠設計具有可預測形狀和大小的微小可編程結構，能夠執行多種任務。此外，由於它們的穩定性，低毒性和低免疫原性，這些納米結構理想用於生命系統。

新設計

目前的研究標誌著生物體內DNA摺紙納米結構的首次研究，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時方法來研究生物體中DON的循環並評估它們的生理分布。基於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成像製備了一系列DON並使用放射性標記來研究他們在小鼠腎臟中的行為。PET掃描顯示DONs優先積聚在健康小鼠的腎臟以及誘導AKI的腎臟中。在實驗中使用的三種形狀中，矩形DON在保護和治療方面提供了最大的益處，並且其作用與藥物NAC相當，被認為是AKI的金標準治療。

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病率。急性腎病可能是通過氧化應激過程誘發的，氧化應激是由於含氧廢物（稱為活性氧物質）的增加，導致脂質，蛋白質和DNA受損。當自由基和抗氧化劑防禦的微妙平衡變得不穩定，引起炎症並加速腎病的進展時，就會發生這種情況。（富含抗氧化劑的食物和營養補充劑可以保護細胞免受活性氧物質的有害影響。）

用DNA幾何學保護腎臟

新研究中描述的DON的保護和治療效果是由於納米結構清除活性氧物質的能力，從而使易損細胞免受氧化應激造成的損害。在人胚胎腎細胞系以及活小鼠中研究了這種效應。與傳統的AKI療法相比，納米結構在健康和患病腎臟中的積累提供了增加的治療效果。（DON與受影響的腎細胞孵育後2小時內緩解氧化應激。）

在引入納米結構後觀察到AKI腎功能的改善 - 與藥物NAC的高劑量施用相當。檢查染色的組織樣本進一步證實了DON在腎臟中的有益作用。

作者提出了幾種機制來解釋正確摺疊的摺紙納米結構在腎臟中的持久性，包括它們對消化酶的抵抗力，避免免疫監視和低蛋白質吸收。

血清肌酐和血尿素氮（BUN）的水平用於評估小鼠的腎功能。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。

此外，研究小組建立了矩形DONs的安全性，通過檢測白細胞介素-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免疫反應的可能性。結果顯示DONs是非免疫遺傳學的，心臟，肝臟，脾臟和腎臟的組織染色顯示它們在原發器官中的低毒性，使其成為人類臨床使用的有吸引力的候選者。

基於DONs在人腎細胞培養物和活體小鼠腎臟中有效清除活性氧物質，該研究得出結論，該方法確實可以為AKI腎臟提供局部保護，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。

成功的概念驗證研究擴展了新型治療可編程納米結構的潛力，旨在解決從智能藥物輸送到精確靶向器官和組織修復的廣泛醫療挑戰。

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