ในแต่ละปีมีผู้ป่วยภาวะไตเสียหายเฉียบพลันประมาณ 13.3 ล้านคน เป็นอาการป่วยที่มีการสะสมอย่างรวดเร็วของของเสียที่มีธาตุไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบและมีปัสสาวะลดน้อยลง ภายในไม่กี่ชั่วโมงหรือไม่กี่วัน  ตามมาด้วยภาวะแทรกซ้อนรุนแรงหลายประการ  ยิ่งกว่านั้นปัจจุบันยังไม่มีวิธีการรักษาภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน
    ภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน (Acute Kidney Injury: AKI) เป็นสาเหตุการเสียชีวิต 1.7 ล้านคน ทุกปี การป้องกันไตที่แข็งแรงจากอันตรายและรักษาไตที่บาดเจ็บแล้วยังเป็นปัญหาท้าทายที่สำคัญสำหรับการแพทย์สมัยใหม่
    ในงานวิจัยครั้งใหม่ที่ปรากฏในวารสาร  Nature Biomedical Engineering  Hao Yan และคณะผู้ร่วมงานที่ University of Wisconsin-Madison และที่ประเทศจีน ได้อธิบายวิธีการใหม่ในการรักษาและป้องกันภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน  ด้วยเทคนิคที่ใช้โครงสร้างขนาดจิ๋วที่รวมตัวกันได้เอง โดยโครงสร้างนี้มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางวัดได้เพียงหนึ่งในพันล้านเมตร

Hao Yan

    Yan เป็นผู้อำนวยการ Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics และเป็นศาสตราจารย์พิเศษใน School of Molecular Sciences ที่ Arizona State University (ASU)
    งานวิจัยของคณะทำงาน แสดงว่า การนำโครงสร้างนาโนของ DNA origami (DNA origami nanostructures: DONs) มาใช้ได้ช่วยป้องกันไตที่เป็นปกติและปรับปรุงการทำงานของไตที่ป่วยจากภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน ผลดีของโครงสร้างนาโนนี้เทียบได้กับรูปแบบการรักษาในปัจจุบัน คือ การให้ยาต้านอนุมูลอิสระ (anti-oxidant) ที่เรียกว่า N-acetylcysteine (NAC)  แต่เนื่องจาก NAC ไม่อาจถูกดูดซึมได้ง่ายในไต จึงได้พยายามค้นหาวิธีการรักษาแบบใหม่
    การตรวจเพิ่มเติมกับตัวอย่างเนื้อเยื่อที่ย้อมสีจากหนูได้ยืนยันถึงผลดีของ DONs

ภาพแสดงไตที่ป่วยทางด้านซ้ายและไตที่แข็งแรงด้านขวา หลังจากโครงสร้างนาโนดีเอ็นเอเดินทางเข้าไปและสะสมอยู่ในไต ได้ทำหน้าที่ช่วยลดความเสียหายเนื่องจากความเครียดที่เกิดจากออกซิเดชัน

    คณะทำงานได้ออกแบบและพัฒนาโครงสร้างรูปสามเหลี่ยม รูปเหมือนท่อ และรูปสี่เหลี่ยม โดยใช้วิธีการที่เรียกว่า DNA origami  โดยใช้คุณสมบัติการจับคู่เบสของ 4 นิวคลีโอไทด์ (nucleotides) ของดีเอ็นเอในการจัดระบบและประดิษฐ์ DNA origami nanostructures ซึ่งสามารถรวมตัวกันเองและชอบสะสมตัวในไต
    “การร่วมมือเชิงสหวิทยาการระหว่างการแพทย์นาโนกับคณะทำงานสร้างรูปภาพภายในร่างกาย ซึ่งนำโดย Prof. Weibo Cai ที่ University of Wisconsin-Madison กับคณะทำงานนาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอได้นำไปสู่การประยุกต์ใช้ประโยชน์แบบใหม่ที่ไม่เคยปรากฏมาก่อน คือ การนำ DNA origami nanostructures มารักษาภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน” Yan กล่าว
    การทดลองในการศึกษาครั้งใหม่กับหนูและเซลล์ไตของเอ็มบริโอมนุษย์ แสดงให้เห็นว่า DONs ทำงานเป็นผู้พิทักษ์ไตอย่างรวดเร็วและคล่องตัว และอาจลดอาการของภาวะไตเสียหายเฉียบพลันลงได้ด้วย  มีการตรวจสอบการกระจายของ DONs ด้วย Positron Emission Tomography (PET)  ผลลัพธ์ที่ได้แสดงว่า โครงสร้างนาโนรูปสี่เหลี่ยมประสบความสำเร็จอย่างยิ่งในการป้องกันไตจากอันตราย โดยมีประสิทธิผลเท่ากับการรักษาด้วยยาสำคัญและได้ช่วยลดแหล่งที่มาสำคัญของภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน ที่เรียกว่า ภาวะเครียดที่เกิดจากออกซิเดชัน (oxidative stress)
    Prof. Cai กล่าวว่า “กลุ่มผู้วิจัย 4 กลุ่ม ทำงานอยู่ในประเทศต่าง ๆ แต่ได้ติดต่อสื่อสารกันอย่างสม่ำเสมอและได้ความเชี่ยวชาญจากพลังการประสานงาน”
    ไตเป็นอวัยวะที่มีบทบาทสำคัญในร่างกาย ทำหน้าที่กำจัดของเสียและน้ำส่วนเกินจากเลือดให้เป็นปัสสาวะ  จากนั้นปัสสาวะไหลจากไตไปกระเพาะปัสสาวะผ่านทางท่อไต  ของเสียในเลือดนั้นเกิดจากการสลายตัวตามปกติของกล้ามเนื้อที่เคลื่อนไหวและจากอาหารที่ร่างกายต้องการเพื่อพลังงานและซ่อมแซมร่างกาย
    เราสามารถจัดระดับความรุนแรงของภาวะไตเสียหายเฉียบพลันได้หลายระดับ  ในภาวะไตเสียหายเฉียบพลันขั้นรุนแรงมาก จะต้องเปลี่ยนถ่ายไตรวมทั้งการรักษาด้วยการคืนน้ำ (rehydration) เพื่อรักษาภาวะขาดน้ำและการฟอกเลือด (dialysis)  ส่วนภาวะไตบาดเจ็บเฉียบพลันจากสารทึบรังสี (contrast-induced AKI) ซึ่งรูปแบบทั่วไปของอาการป่วยนี้ มีสาเหตุจากสารทึบรังสีซึ่งในบางครั้งจะใช้เพื่อให้การสร้างภาพทางการแพทย์ชัดเจนขึ้น
    มีการใช้ยาต้านอนุมูลอิสระที่เรียกว่า N-acetylcysteine (NAC) ในทางคลินิกเพื่อป้องกันไตจากสารพิษระหว่างกระบวนการเหล่านี้ แต่ชีวปริมาณออกฤทธิ์ที่ด้อยของยานี้ในไตจะจำกัดประสิทธิผลของยา (ปัจจุบันยังไม่มีวิธีรักษาภาวะนี้)
    เวชศาสตร์นาโน (วิศวกรรมของอะตอมหรือโมเลกุล ณ ระดับนาโนสเกลเพื่อการใช้งานทางชีวการแพทย์) ได้แสดงถึงเส้นทางใหม่ที่น่าสนใจของการใช้ประโยชน์และการบำบัดรักษาทางการแพทย์
    งานวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้ในสาขาเดียวกันได้ผลักดันความก้าวหน้าที่นำไปสู่การสร้างรูปภาพทางการแพทย์และการรักษาที่ดีขึ้นสำหรับหลาย ๆ โรค  รวมทั้งภาวะไตเสียหายเฉียบพลันด้วย  แม้การใช้วัสดุนาโนภายในระบบที่มีชีวิตเพื่อรักษาโรคไตที่ผ่านมานั้นยังมีข้อจำกัดอยู่ก็ตาม
    คุณสมบัติการจับคู่เบสของกรดนิวคลีอิก (nucleic acids) อย่างดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ ทำให้สามารถออกแบบโครงสร้างขนาดเล็กที่สามารถโปรแกรมได้สำหรับรูปทรงและขนาดที่พยากรณ์ได้  มีความสามารถในการทำงานได้หลาย ๆ อย่าง  นอกจากนั้น  สถาปัตยกรรมนาโนนี้ยังเป็นที่ต้องการเพื่อให้ในระบบที่มีชีวิต เนื่องจากมันมีความเสถียร ความเป็นพิษต่ำ และความสามารถต่ำในการกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน
    การศึกษาในปัจจุบันแสดงถึงการวิจัย DNA origami nanostructures ภายในสิ่งมีชีวิตเป็นครั้งแรก โดยใช้การทำภาพเชิงปริมาณเพื่อติดตามพฤติกรรมของ DONs  การสร้างภาพด้วย PET ในการศึกษาครั้งนี้เปิดให้ใช้วิธีการเชิงปริมาณตามเวลาจริงที่น่าเชื่อถือในการศึกษาการหมุนเวียนของ DONs ในสิ่งมีชีวิต  โดยค้นพบว่า DONs ทรงสี่เหลี่ยมเป็นวิธีการที่ได้ผลมากที่สุดในการรักษาภาวะไตเสียหายเฉียบพลันในหนู
    Yan และคณะได้เตรียมชุดของ DONs และศึกษาพฤติกรรมของ DONs ในไตของหนู โดยใช้การสร้างภาพด้วย PET  การสแกนด้วย PET แสดงว่า DONs มักจะชอบสะสมตัวในไตของหนูที่สุขภาพแข็งแรง รวมทั้งหนูที่มีภาวะไตเสียหายเฉียบพลันจากสารด้วย  
    จาก DONs ทั้ง 3 รูปทรงที่ใช้ในการทดลองปฏิบัติการ  พบว่า DONs สี่เหลี่ยมได้ผลดีที่สุดในการป้องกันและการรักษา และสามารถเทียบผลที่ได้กับยา N-acetylcysteine ซึ่งถือเป็นมาตรฐานการรักษาสำหรับภาวะไตเสียหายเฉียบพลัน
ผู้ป่วยโรคไตมักจะมีโรคต่าง ๆ ตามมา ซึ่งรวมไปถึงอุบัติการณ์ในอัตราที่สูงของโรคหัวใจและหลอดเลือด และโรคเนื้อร้าย   ภาวะไตเสียหายเฉียบพลันอาจถูกชักนำให้เกิดขึ้นด้วยกระบวนการที่เรียกว่า ความเครียดที่เกิดจากออกซิเดชัน ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อของเสียบางอย่างที่เรียกว่า อนุพันธ์ออกซิเจนที่ไว (reactive oxygen species) เป็นสาเหตุให้เกิดความเสียหายกับเซลล์  ผลลัพธ์มักจะเป็นการอักเสบ ซึ่งจะไปเร่งให้โรคไตคืบไปข้างหน้ามากขึ้น (อาหารและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารซึ่งอุดมไปด้วยสารต้านอนุมูลอิสระจะทำหน้าที่ป้องกันเซลล์จากผลลัพธ์ที่เป็นอันตรายของอนุพันธ์ออกซิเจนที่ไว)
    ผลในด้านการป้องกันและการรักษาของ DONs ซึ่งมีการอธิบายไว้ในการศึกษาครั้งใหม่ มาจากความสามารถของโครงสร้างนาโนในการค้นหาอนุพันธ์ออกซิเจนที่ไว (reactive oxygen species)  ดังนั้น จึงช่วยปกป้องเซลล์ที่อ่อนไหวง่ายจากความเสียหายอันเนื่องจากความเครียด
    มีการใช้ระดับของ creatinine และ Blood Urea Nitrogen (BUN) ในการประเมินการทำหน้าที่ของไตในหนู  หนูที่มีภาวะไตเสียหายเฉียบพลันซึ่งได้รับการรักษาด้วย DONs ทรงสี่เหลี่ยม ได้แสดงให้เห็นว่าการขับของเสียของไตดีขึ้น เมื่อเทียบกับหนูที่ได้รับการรักษาโดยใช้ยาหลัก N-acetylcysteine
    นอกจากนั้น คณะทำงานได้กำหนดความปลอดภัยของ DONs ทรงสี่เหลี่ยม ด้วยการประเมินศักยภาพในการค้นหาการตอบสนองของภูมิคุ้มกันในหนู โดยตรวจระดับของ interleukin-6 และ tumor necrosis factor alpha ในเลือด  ผลที่ได้แสดงว่า DONs ไม่กระตุ้นภูมิคุ้มกัน และการย้อมสีหัวใจ ตับ ม้าม ปอด และไต เปิดเผยว่า DONs มีความเป็นพิษต่ำในอวัยวะหลัก ทำให้ DONs เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการใช้ทางคลินิกในมนุษย์