ऐतिहासिक रूप से, फार्मास्युटिकल दवाओं के विशाल बहुमत को सावधानीपूर्वक परमाणु स्तर तक डिज़ाइन किया गया है। दवा अणु के भीतर प्रत्येक परमाणु का विशिष्ट स्थान यह निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है कि यह कितना अच्छा काम करता है और यह कितना सुरक्षित है। उदाहरण के लिए, इबुप्रोफेन में, एक अणु एक दर्द निवारक के रूप में प्रभावी है, लेकिन उसी अणु की दर्पण छवि पूरी तरह से निष्क्रिय है।
अब, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी और मास जनरल ब्रिघम वैज्ञानिकों का तर्क है कि यह सटीक संरचनात्मक नियंत्रण, जिसे पारंपरिक दवाओं पर लागू किया जाता है, को शक्तिशाली नैनोमेडिसिन के एक नए वर्ग में प्रवेश करने के लिए दोहन किया जाना चाहिए जो दुनिया के कुछ सबसे दुर्बल रोगों का इलाज कर सकता है। MRNA टीकों जैसे वर्तमान नैनोमेडिसिन के साथ, कोई भी दो कण समान नहीं हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक ही बैच में सभी नैनोमेडिसिन सुसंगत हैं – और सबसे शक्तिशाली संस्करण – वैज्ञानिक अपनी संरचनाओं को ठीक से दर्जी करने के लिए नई रणनीतियों को तैयार कर रहे हैं।
नियंत्रण के इस स्तर के साथ, वैज्ञानिक ठीक कर सकते हैं कि कैसे नैनोमेडिसिन मानव शरीर के साथ बातचीत करते हैं। ये नए डिजाइन शक्तिशाली टीके या यहां तक कि कैंसर, संक्रामक रोगों, न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों और ऑटोइम्यून विकारों के लिए इलाज कर रहे हैं।
परिप्रेक्ष्य 25 अप्रैल (शुक्रवार) को जर्नल में प्रकाशित किया जाएगा प्रकृति की समीक्षा बायोइंजीनियरिंग।
नॉर्थवेस्टर्न के चाड ए। मिर्किन ने कहा, “ऐतिहासिक रूप से, अधिकांश दवाएं छोटे अणु हैं।” “छोटे अणु युग में, एक विशेष संरचना के भीतर प्रत्येक परमाणु और प्रत्येक बंधन के प्लेसमेंट को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण था। यदि एक तत्व जगह से बाहर था, तो यह पूरी दवा को अप्रभावी कर सकता है। अब, हमें नैनोमेडिसिन में उस तंग नियंत्रण को लाने की आवश्यकता है। संरचना, हम उन हस्तक्षेपों को डिजाइन कर सकते हैं जो अधिक प्रभावी, अधिक लक्षित और, अंततः, रोगियों के लिए अधिक लाभकारी हैं। “
नैनोमेडिसिन, मिर्किन में एक अग्रणी, रसायन विज्ञान, रसायन और जैविक इंजीनियरिंग, बायोमेडिकल इंजीनियरिंग, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग, और नॉर्थवेस्टर्न में मेडिसिन के जॉर्ज बी। रथमैन प्रोफेसर हैं, जहां उन्होंने वेनबर्ग कॉलेज ऑफ आर्ट्स एंड साइंसेज, मैककॉर्मिक स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग और फिनबर्ग स्कूल ऑफ मेडिसिन में नियुक्तियां की हैं। वह इंटरनेशनल इंस्टीट्यूट फॉर नैनो टेक्नोलॉजी (IIN) के निदेशक भी हैं। मिर्किन ने मिलान मर्क्सिच के साथ परिप्रेक्ष्य में, मैककॉर्मिक में बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के हेनरी वेड रोजर्स प्रोफेसर, वेनबर्ग में रसायन विज्ञान के प्रोफेसर और फेयिनबर्ग में सेल एंड डेवलपमेंटल बायोलॉजी के प्रोफेसर के प्रोफेसर; और नताली आर्टज़ी, मास जनरल ब्रिघम में जीन एंड सेल थेरेपी इंस्टीट्यूट में स्ट्रक्चरल नैनोमेडिसिन के प्रमुख, हार्वर्ड मेडिकल स्कूल में मेडिसिन के एक एसोसिएट प्रोफेसर और हार्वर्ड विश्वविद्यालय में जैविक रूप से प्रेरित इंजीनियरिंग के लिए WYSS इंस्टीट्यूट में एक मुख्य संकाय सदस्य।
वैक्सीन डिजाइन के लिए ‘ब्लेंडर दृष्टिकोण’ के साथ समस्याएं
वैक्सीन डिजाइन के लिए पारंपरिक दृष्टिकोणों में, शोधकर्ताओं ने ज्यादातर प्रमुख घटकों को एक साथ मिलाने पर भरोसा किया है। उदाहरण के लिए, विशिष्ट कैंसर इम्युनोथैरेपी, ट्यूमर कोशिकाओं से एक अणु या अणु (जिसे एंटीजन कहा जाता है) से मिलकर एक अणु (एक सहायक कहा जाता है) के साथ जोड़ा जाता है जो प्रतिरक्षा प्रणाली को उत्तेजित करता है। चिकित्सक एंटीजन और सहायक को एक साथ कॉकटेल में मिलाते हैं और फिर रोगी में मिश्रण को इंजेक्ट करते हैं।
मिर्किन इसे “ब्लेंडर दृष्टिकोण” कहता है – जिसमें घटक पूरी तरह से असंरचित होते हैं। इसके विपरीत, संरचनात्मक नैनोमेडिसिन का उपयोग एंटीजन और सहायक को व्यवस्थित करने के लिए किया जा सकता है। जब नैनोस्केल में संरचित किया जाता है, तो वे समान औषधीय घटक संवर्धित प्रभावकारिता को प्रदर्शित करते हैं और असंरचित संस्करणों की तुलना में दुष्प्रभावों को कम करते हैं। हालांकि, छोटे अणु दवाओं के विपरीत, ये नैनोमेडिसिन अभी भी आणविक स्तर पर अभेद्य हैं।
“एक बैच में कोई भी दो दवाएं समान नहीं हैं,” मिर्किन ने कहा। “नैनोस्केल टीकों में लिपिड की अलग -अलग संख्या, लिपिड की विभिन्न प्रस्तुतियाँ, विभिन्न मात्रा में आरएनए और कणों के विभिन्न आकार होते हैं। नैनोमेडिसिन योगों में अनंत संख्या में चर होते हैं। असंगतता अनिश्चितता की ओर ले जाती है। यह जानने का कोई तरीका नहीं है कि आप सबसे प्रभावी और सबसे सुरक्षित संख्या में शामिल हैं।
सह-असेंबली से आणविक परिशुद्धता तक जाना
इस समस्या को संबोधित करने के लिए, मिर्किन, मर्क्सिच और आर्टज़ी भी अधिक सटीक संरचनात्मक नैनोमेडिसिन की ओर एक बदलाव के लिए वकालत करते हैं। इस दृष्टिकोण में, शोधकर्ता रासायनिक रूप से अच्छी तरह से परिभाषित कोर संरचनाओं से नैनोमेडिसिन का निर्माण करते हैं, जिन्हें नियंत्रित स्थानिक व्यवस्था में कई चिकित्सीय घटकों के साथ ठीक से इंजीनियर किया जा सकता है। परमाणु स्तर पर डिजाइन को नियंत्रित करके, शोधकर्ता अभूतपूर्व क्षमताओं को अनलॉक कर सकते हैं, जिसमें एक दवा में कई कार्यात्मकताओं के एकीकरण, अनुकूलित लक्ष्य सगाई और विशिष्ट कोशिकाओं में दवा रिलीज को ट्रिगर किया गया है।
कागज में, लेखक ट्रेलब्लाज़िंग स्ट्रक्चरल नैनोमेडिसिन के तीन उदाहरणों का हवाला देते हैं: गोलाकार न्यूक्लिक एसिड (एसएनएएस), केमोफ्लेयर्स और मेगामोलेक्यूलस। मिर्किन द्वारा आविष्कार किया गया, एसएनएएस डीएनए का एक गोलाकार रूप है जो आसानी से कोशिकाओं में प्रवेश कर सकता है और लक्ष्य के लिए बाध्य कर सकता है। एक ही अनुक्रम के रैखिक डीएनए की तुलना में अधिक प्रभावी, एसएनएएस ने जीन विनियमन, जीन संपादन, दवा वितरण और वैक्सीन विकास में महत्वपूर्ण क्षमता का प्रदर्शन किया है – यहां तक कि कुछ मामलों में भी एक नैदानिक सेटिंग में त्वचा कैंसर के घातक रूपों को ठीक करने वाले।
“हमने साबित कर दिया है कि एसएनए-आधारित वैक्सीन या चिकित्सीय की समग्र संरचनात्मक प्रस्तुति-केवल सक्रिय रासायनिक घटकों को नहीं-नाटकीय रूप से इसकी शक्ति को प्रभावित करता है,” मिर्किन ने कहा। “इस खोज से कई अलग -अलग प्रकार के कैंसर के लिए उपचार हो सकता है। कुछ मामलों में, हमने इसका उपयोग उन रोगियों को ठीक करने के लिए किया है जिन्हें किसी अन्य ज्ञात चिकित्सा के साथ इलाज नहीं किया जा सकता है।”
आर्टज़ी और मिर्किन द्वारा अग्रणी, केमोफ्लेयर स्मार्ट नैनोस्ट्रक्चर हैं जो कैंसर कोशिकाओं में रोग से संबंधित संकेतों के जवाब में कीमोथेरेप्यूटिक दवाओं को छोड़ते हैं। और Megamolecules, Mrksich द्वारा आविष्कार किया गया, ठीक से इकट्ठे प्रोटीन संरचनाएं हैं जो एंटीबॉडी की नकल करते हैं। शोधकर्ता कई चिकित्सीय एजेंटों या नैदानिक उपकरणों को ले जाने के लिए इन सभी प्रकार के संरचनात्मक नैनोमेडिसिन को इंजीनियर कर सकते हैं।
“रोग-विशिष्ट ऊतक और सेलुलर संकेतों का दोहन करके, अगली पीढ़ी के नैनोमेडिसिन अत्यधिक स्थानीयकृत और समय पर ड्रग रिलीज को प्राप्त कर सकते हैं-शरीर के भीतर कैसे और कहाँ थे थेरेपी कैसे कार्य करते हैं,” आर्टज़ी ने कहा। “सटीकता का यह स्तर संयोजन उपचार के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जहां कई एजेंटों की समन्वित डिलीवरी नाटकीय रूप से प्रणालीगत विषाक्तता को कम करते हुए और ऑफ-टारगेट प्रभावों को कम करते हुए चिकित्सीय प्रभावकारिता को बढ़ा सकती है। ऐसे स्मार्ट, उत्तरदायी सिस्टम पारंपरिक दवा वितरण की सीमाओं को पार करने में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करते हैं।”
डिजाइन में एआई का दोहन
आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ताओं को स्केलेबिलिटी, रिप्रोड्यूसिबिलिटी, डिलीवरी और कई चिकित्सीय एजेंट एकीकरण में वर्तमान चुनौतियों का समाधान करने की आवश्यकता होगी, लेखकों का कहना है। लेखक डिजाइन और वितरण मापदंडों के अनुकूलन में मशीन लर्निंग और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (एआई) जैसी उभरती प्रौद्योगिकियों की तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका को भी उजागर करते हैं।
“जब संरचना को देखते हैं, तो कभी -कभी नैनोमेडिसिन पर घटकों की व्यवस्था करने के लिए हजारों संभावनाएं होती हैं,” मिर्किन ने कहा। “एआई के साथ, हम प्रयोगशाला में संश्लेषित और परीक्षण करने के लिए एक मुट्ठी भर में अस्पष्टीकृत संरचनाओं के विशाल सेट को संकीर्ण कर सकते हैं। संरचना को नियंत्रित करके, हम साइड इफेक्ट्स की सबसे कम संभावना के साथ सबसे शक्तिशाली दवाएं बना सकते हैं। हम न्यूक्लिक एसिड जैसे प्रॉपर्टीज़ को देख सकते हैं, जो कि हम अभी तक के साथ हैं, जो कि हम क्या कर रहे हैं। संरचनात्मक चिकित्सा के एक पूरे नए युग में, नॉर्थवेस्टर्न ने लीड लिया। “
पेपर, “द इमर्जिंग एरा ऑफ स्ट्रक्चरल नैनोमेडिसिन,” को नेशनल कैंसर इंस्टीट्यूट (पुरस्कार संख्या R01CA257926 और R01CA275430), नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ डायबिटीज एंड डाइजेस्टिव एंड किडनी डिजीज (अवार्ड नंबर U54DK137516) द्वारा समर्थित किया गया था। रिडक्शन एजेंसी (अवार्ड नंबर HDTRA1-21-1-0038) और लेफकोफस्की फैमिली फाउंडेशन।
