Nanotıpta Yapay Zekâ ve Atom Ölçeğinde Devrim
Araştırmacılar, bir zamanlar küçük moleküllü ilaçlar için ayrılmış olan atomik düzeydeki hassasiyeti nanotıp alanına taşımaya çalışırken bilimsel bir devrim yaşanıyor.
Nano ölçekli tedavilerin yapısını sıkı bir şekilde kontrol ederek kanser, enfeksiyonlar ve otoimmün hastalıklar için daha etkili aşılar ve tedaviler yaratıyorlar. Bilim insanları, küresel nükleik asitler ve kemoflarlar gibi yenilikleri sergileyerek, sofistike yapısal yaklaşımlar için eski “blender” aşı geliştirme yöntemini terk ediyorlar. Yapay zeka tarafından yönlendirilen bu atılımlar, tıbbı en küçük ölçeklerde nasıl tasarladığımız konusunda cesur bir sıçramaya işaret ediyor ve Northwestern Üniversitesi bu konuda öncülük ediyor.
Hassasiyet Önemlidir: Tıpta Atomik Düzeyde Kontrol
On yıllardır, çoğu farmasötik ilaç atomik düzeyde hassasiyetle hazırlanmıştır. Bir ilaç molekülündeki her bir atomun tam yerleşimi, ne kadar etkili çalıştığını ve ne kadar güvenli olduğunu belirleyebilir. Örneğin ibuprofeni ele alalım: molekülünün bir versiyonu ağrıyı dindirirken, ayna görüntüsü hiçbir şey yapmaz.
Şimdi, Northwestern Üniversitesi ve Mass General Brigham’dan bilim insanları, bu aynı yapısal hassasiyet düzeyinin yeni nesil nanotıplara da uygulanması gerektiğine inanıyor – en ciddi hastalıklardan bazılarıyla mücadele etmek için nano ölçekte inşa edilen tedaviler. Geleneksel ilaçların aksine, mRNA aşıları gibi mevcut nanotıplar parçacıktan parçacığa büyük farklılıklar göstermektedir. Hiçbiri birbirine tam olarak benzemez, bu da tutarlılığı ve etkinliği etkileyebilir.
Aşıların ve Hastalık Tedavisinin Geleceği
Bunu değiştirmek için araştırmacılar nanomedikallerin yapısını daha hassas bir şekilde kontrol etmek için yöntemler geliştiriyorlar. Bu kontrol, bilim insanlarının bu tedavilerin vücutla nasıl etkileşime girdiğini hassas bir şekilde ayarlamalarına olanak tanıyarak potansiyel olarak daha güçlü aşılara ve kanser, bulaşıcı hastalıklar, nörodejeneratif durumlar ve otoimmün bozukluklar için hedefe yönelik tedavilere yol açıyor.
Araştırmacıların ilaç tasarımındaki bu değişime bakış açıları bugün (25 Nisan) Nature Reviews Bioengineering dergisinde yayımlanacak.
SNA’lar, hücrelere kolayca girebilen ve hedeflere bağlanabilen küresel bir DNA formudur. Aynı dizilime sahip doğrusal DNA’dan daha etkili olan SNA’lar, gen düzenleme, gen düzenleme, ilaç dağıtımı ve aşı geliştirmede önemli bir potansiyel göstermiştir – hatta bazı durumlarda klinik bir ortamda ölümcül cilt kanseri türlerini tedavi etmiştir. SNA’lar, yapısal tasarımın bir terapötiğin vücutla etkileşimini nasıl değiştirdiğinin bir örneğidir. Kredi: Chad A. Mirkin/Northwestern Üniversitesi
Küçük Molekül Mirası Nanoteknoloji ile Buluşuyor
Makalenin yazarlarından Northwestern’den Chad A. Mirkin, “Tarihsel olarak ilaçların çoğu küçük moleküllerdi,” diyor. “Küçük molekül çağında, belirli bir yapı içindeki her atomun ve her bağın yerleşimini kontrol etmek çok önemliydi. Eğer bir element yerinde değilse, tüm ilacı etkisiz hale getirebilirdi. Şimdi, bu sıkı kontrolü nanotıbba da taşımamız gerekiyor. Yapısal nanotıp, terapötik geliştirmeye nasıl yaklaşabileceğimiz konusunda büyük bir değişimi temsil ediyor. Terapötiklerimizdeki karmaşık ayrıntılara ve farklı tıbbi bileşenlerin daha büyük bir yapı içinde nasıl sergilendiğine odaklanarak, daha etkili, daha hedefe yönelik ve nihayetinde hastalar için daha faydalı müdahaleler tasarlayabiliriz.”
Nanotıp alanında bir öncü olan Mirkin, Weinberg Sanat ve Bilim Koleji, McCormick Mühendislik Okulu ve Feinberg Tıp Okulu’nda görev yaptığı Northwestern’de George B. Rathmann Kimya, Kimya ve Biyoloji Mühendisliği, Biyomedikal Mühendisliği, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ve Tıp Profesörüdür. Kendisi aynı zamanda Uluslararası Nanoteknoloji Enstitüsü’nün (IIN) kurucu direktörüdür. Mirkin, McCormick’te Henry Wade Rogers Biyomedikal Mühendisliği Profesörü, Weinberg’de kimya profesörü ve Feinberg’de hücre ve gelişim biyolojisi profesörü olan Milan Mrksich ve Mass General Brigham Gen ve Hücre Terapisi Enstitüsü’nde yapısal nanotıp başkanı, Harvard Tıp Fakültesi’nde tıp doçenti ve Harvard Üniversitesi Wyss Biyolojik Esinli Mühendislik Enstitüsü’nde çekirdek öğretim üyesi olan Natalie Artzi ile birlikte perspektifin yazarlığını yaptı.
Aşılara ‘Blender Yaklaşımını’ Yeniden Düşünmek
Aşı tasarımına yönelik geleneksel yaklaşımlarda, araştırmacılar çoğunlukla temel bileşenleri bir araya getirmeye güvenmişlerdir. Örneğin tipik kanser immünoterapileri, bağışıklık sistemini uyaran bir molekülle (adjuvan olarak adlandırılır) eşleştirilmiş tümör hücrelerinden (antijen olarak adlandırılır) bir molekül veya moleküllerden oluşur. Doktorlar antijen ve adjuvanı bir kokteyl halinde karıştırır ve ardından karışımı hastaya enjekte eder.
Mirkin bunu, bileşenlerin tamamen yapılandırılmamış olduğu “blender yaklaşımı” olarak adlandırıyor. Bunun tam aksine, yapısal nanotıplar antijenleri ve adjuvanları organize etmek için kullanılabilir. Nano ölçekte yapılandırıldıklarında, aynı tıbbi bileşenler yapılandırılmamış versiyonlara kıyasla daha fazla etkinlik ve daha az yan etki sergiler. Bununla birlikte, küçük moleküllü ilaçların aksine, bu nanotıplar moleküler düzeyde hala kesin değildir.
Mirkin, “Bir partideki iki ilaç aynı değildir” dedi. “Nano ölçekli aşılarda farklı sayıda lipid, farklı lipid sunumları, farklı miktarlarda RNA ve farklı boyutlarda partiküller bulunur. Nanotıp formülasyonlarında sonsuz sayıda değişken vardır. Bu tutarsızlık belirsizliğe yol açmaktadır. Çok sayıda olasılık arasından en etkili ve en güvenli yapıya sahip olup olmadığınızı bilmenin bir yolu yoktur.
Atomik Düzeyde Hassasiyetle Tasarım
Mirkin, Mrksich ve Artzi bu sorunu ele almak için daha da hassas yapısal nanotıplara doğru bir geçişi savunmaktadır. Bu yaklaşımda araştırmacılar, kontrollü bir uzamsal düzenlemede birden fazla terapötik bileşenle hassas bir şekilde tasarlanabilen, kimyasal olarak iyi tanımlanmış çekirdek yapılardan nanotıplar oluşturmaktadır. Araştırmacılar, tasarımı atomik düzeyde kontrol ederek, birden fazla işlevin tek bir ilaca entegre edilmesi, optimize edilmiş hedef etkileşimi ve belirli hücrelerde tetiklenmiş ilaç salınımı dahil olmak üzere benzeri görülmemiş yeteneklerin kilidini açabilirler.
Vaka Çalışmaları: SNA’lar, Kemoflarlar ve Megamoleküller
Yazarlar makalede öncü yapısal nanomedikallere dair üç örnek veriyor: küresel nükleik asitler (SNA’lar), kemoflareler ve megamoleküller. Mirkin tarafından icat edilen SNA’lar, hücrelere kolayca girebilen ve hedeflere bağlanabilen küresel bir DNA biçimidir. Aynı dizilimin doğrusal DNA’sından daha etkili olan SNA’lar, gen düzenleme, gen düzenleme, ilaç dağıtımı ve aşı geliştirmede önemli bir potansiyel göstermiştir; hatta bazı durumlarda klinik bir ortamda ölümcül cilt kanseri formlarını bile tedavi edebilirler.
Mirkin, “SNA tabanlı bir aşının veya tedavi edicinin genel yapısal sunumunun, yalnızca aktif kimyasal bileşenlerinin değil, gücünü önemli ölçüde etkilediğini kanıtladık” dedi. “Bu bulgu, birçok farklı kanser türü için tedavilere yol açabilir. Bazı durumlarda, bunu bilinen başka hiçbir tedaviyle tedavi edilemeyen hastaları tedavi etmek için kullandık.”
Artzi ve Mirkin tarafından öncülük edilen kemoterapötik ilaçlar, kanser hücrelerindeki hastalıkla ilgili ipuçlarına yanıt olarak kemoterapötik ilaçlar salan akıllı nanoyapılardır. Ve Mrksich tarafından icat edilen megamoleküller, antikorları taklit eden hassas bir şekilde bir araya getirilmiş protein yapılarıdır. Araştırmacılar, tüm bu yapısal nanomedikalleri birden fazla terapötik ajan veya teşhis aracı taşıyacak şekilde tasarlayabilirler.
Hedefli, Tepkili İlaç Dağıtımı
Artzi, “Hastalığa özgü doku ve hücresel ipuçlarını kullanarak, yeni nesil nanomedikaller son derece yerel ve zamanında ilaç salınımı sağlayabilir – terapilerin vücutta nasıl ve nerede etki ettiğini dönüştürebilir,” dedi. “Bu hassasiyet seviyesi, özellikle birden fazla ajanın koordineli dağıtımının, sistemik toksisiteyi azaltırken ve hedef dışı etkileri en aza indirirken terapötik etkinliği önemli ölçüde artırabileceği kombinasyon tedavileri için kritik öneme sahiptir. Bu tür akıllı, tepkili sistemler, geleneksel ilaç dağıtımının sınırlamalarının üstesinden gelmede önemli bir adımdır.”
Yapay Zeka: Yapısal Optimizasyon İçin Katalizör
Yazarlar, araştırmacıların bundan sonra ölçeklenebilirlik, yeniden üretilebilirlik, dağıtım ve çoklu terapötik ajan entegrasyonundaki mevcut zorlukları ele almaları gerekeceğini söylüyor. Yazarlar ayrıca makine öğrenimi ve yapay zeka (AI) gibi ortaya çıkan teknolojilerin tasarım ve dağıtım parametrelerini optimize etmede giderek daha önemli hale gelen rolünü vurguluyor.
Mirkin, “Yapıya bakıldığında, nanomedikallerde bileşenlerin nasıl düzenleneceğine dair bazen on binlerce olasılık vardır,” dedi. “AI ile, laboratuvarda sentezlemek ve test etmek için keşfedilmemiş yapıların devasa kümelerini bir avuçla sınırlayabiliriz. Yapıyı kontrol ederek, en düşük yan etki olasılığına sahip en güçlü ilaçları yaratabiliriz. Nükleik asitler gibi tıbbi bileşenleri, standart DNA ve RNA ile gördüğümüzün çok ötesine geçen özelliklere sahip varlıklar yaratmak için yeniden yapılandırabiliriz. Bu sadece bir başlangıç ve bundan sonra ne olacağını görmek için heyecanlıyız. Northwestern’in öncülük ettiği yapısal tıpta yepyeni bir çağ başlatmaya hazırız.”
Kaynak: https://scitechdaily.com