ДНК-гидрогели демонстрируют потенциал для пролонгированного высвобождения лекарств
Гидрогели — это полимерные материалы с трёхмерной сетчатой структурой, содержащие большое количество воды. Они служат системами доставки лекарств с пролонгированным высвобождением, так как могут инкапсулировать различные биологически активные вещества, включая лекарства, антигены и даже клетки.
Они являются лучшей альтернативой традиционным системам доставки благодаря большей биосовместимости, биодеградируемости и возможности простого введения в виде инъекционного каркаса.
ДНК привлекает значительное внимание как перспективный материал для гидрогелей благодаря настраиваемым физико-химическим свойствам. Однако существующие методы (например, гидрогели, сшитые ДНК-лигазой) имеют недостатки: потенциальные аллергические реакции и сложные процедуры введения, что ограничивает клиническое применение.
Для решения этих проблем была создана полиподобная наноструктурированная нуклеиновая кислота (polypodna) из трёх или более предварительно спроектированных олигодезоксинуклеотидов (ODN) с частично комплементарными последовательностями. Эти эффективные наноструктуры легко инъецируются и быстро восстанавливаются в гидрогели в месте инъекции.
Хотя этот подход создаёт самогелеобразующиеся нуклеиновые кислоты без ДНК-лигазы, он требует множества ODN, что ведёт к высокой стоимости, сложности дизайна и повышенной вероятности нецелевых эффектов из-за большого числа оснований.
В качестве альтернативы была сформирована Такуми-подобная ДНК-единица всего из двух ODN. Однако исследования её оптимизации в качестве носителя для пролонгированного высвобождения или её удерживающей способности ограничены.
В новом исследовании, опубликованном в Journal of Controlled Release, профессор Макия Нисикава и его коллеги из Токийского университета науки (Япония) стремились решить эти аспекты для Такуми-подобных ДНК-наноструктур.
Каждый ODN в структуре был построен с палиндромным стеблем длиной 8–18 нуклеотидов, присоединённым к двум когезивным частям с обеих сторон через тимидиновый (T) спейсер. ODN образуют самодимер через палиндромную последовательность. Например, 14s-(T-10c)2 обозначает ODN с длиной стебля 14 нуклеотидов и когезивной частью 10 нуклеотидов на обоих концах стебля.
Для оптимизации Такуми-подобной ДНК как инъекционной гидрогелевой единицы с пролонгированной ретенцией исследователи систематически варьировали длину ODN и изучали корреляцию между структурными свойствами и характеристиками гидрогеля, уделяя особое внимание способности удерживаться in vivo.
Результаты показали, что свойства гидрогеля (температура плавления, стабильность) зависят от длины стебля и когезивных частей. ODN с длиной стебля 12 нуклеотидов и более эффективно формировали гидрогелевые единицы. Когезивные части длиной 10 нуклеотидов демонстрировали эффективную гибридизацию и взаимодействие.
Оценка модуля накопления гидрогелей показала, что 10-нуклеотидные GC-богатые когезивные части обладают лучшей термической стабильностью и модулем накопления по сравнению с другими вариантами.
«Длина ODN 12s-(T-10c)2, показавшего наивысшую ретенцию у мышей, составляет 34 основания, и для формирования требуется всего два ODN. В сумме для образования ДНК-гидрогеля нужно всего 68 нуклеотидов — значительно меньше, чем для ДНК-гидрогеля на основе hexapodna, состоящего из 12 различных 40-основных ODN», — объясняет профессор Нисикава.
Эксперименты in vivo с ДНК-гидрогелями на основе 12s-(T-10c)2-ODN, интеркалированными доксорубицином, показали пролонгированное сохранение в месте инъекции не менее 168 часов после введения. Это способствовало выраженному противоопухолевому эффекту у мышей благодаря медленному высвобождению доксорубицина. Кроме того, такие гидрогели потенциально могут индуцировать целевые иммунные ответы, что делает их эффективными системами доставки антигенов.
«Оптимизированный ДНК-гидрогель, приготовленный с использованием 12s-(T-10c)2, демонстрировал более длительную ретенцию in vivo у мышей по сравнению с гидрогелем на основе hexapodna. Эти результаты подчёркивают применимость ДНК-гидрогелей как систем доставки биологически активных материалов», — заключает профессор Нисикава.
Исследование демонстрирует, как минимальные ДНК-единицы могут собираться в биосовместимые гидрогели с высоким временем удержания и способностью к пролонгированному высвобождению лекарств, предлагая перспективную биомедицинскую инновацию для таргетных терапий.