Защита ДНК-оригами для доставки противораковых препаратов

Ученые разработали цепочки молекул с точной последовательностью и длиной, чтобы эффективно защищать 3D-наноструктуры ДНК от деградации в различных физиологически значимых условиях. Они продемонстрировали, как эти «пептоидные покрытия для ДНК-оригами» могут использоваться для доставки противораковых препаратов и белков, визуализации биомолекул и нацеливания на рецепторы клеточной поверхности, связанные с раком. Их метод описан в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 9 марта.

Проблема и решение

Основное ограничение для применения ДНК-оригами в наномедицине — быстрая деградация наноструктур в организме под действием ферментов или изменений состава среды и pH. Для защиты ученые синтезировали биосовместимые молекулы — пептоиды — с четко определенной последовательностью и длиной. Они покрыли октаэдрическое ДНК-оригами (обладающее высокой механической стабильностью и пространством для наногруза) этими пептоидами.

Дизайн пептоидов

Пептоиды похожи на пептиды, но более гибкие, что позволяет контролировать их связывание с ДНК. Были синтезированы две архитектуры:

  • Тип «кисть»: чередование ДНК-связывающего и водорастворимого доменов.
  • Тип «блок»: кластеризация этих доменов в отдельные блоки.

Эксперименты с двухцепочечной ДНК показали, что архитектура «кисть» (с 12 ДНК-связывающими и 12 водорастворимыми группами) наиболее эффективно стабилизирует ДНК при высокой температуре.

Проверка стабильности

Структурную стабильность пептоидного покрытия проверили в физиологически релевантных условиях:

  1. В растворе с низкой концентрацией ионов Mg2+.
  2. В растворе с ДНК-специфичной нуклеазой.
  3. В среде для культивирования клеток (содержащей и нуклеазы, и низкую концентрацию Mg2+).

Использовали комплекс методов: электрофорез в агарозном геле, просвечивающая электронная микроскопия, динамическое светорассеяние и малоугловое рентгеновское рассеяние в реальном времени на пучковой линии LiX в NSLS-II. Результаты подтвердили, что структура оригами остается неповрежденной в этих условиях.

Биомедицинские демонстрации

  1. Доставка лекарства: В покрытое оригами загрузили химиотерапевтический препарат доксорубицин. За 48 часов высвобождение препарата из покрытой структуры было медленнее, чем из непокрытой.
  2. Доставка белка: Инкапсулированный в покрытое оригами белок (меченый флуоресценцией) был защищен от переваривания ферментом трипсином.
  3. Нацеливание: Поверхность пептоидного покрытия функционализировали антителом трастузумабом (Герцептин), которое нацеливается на HER2-рецепторы раковых клеток. Связывание достигнуто с помощью «клик-химии».

Дальнейшие планы

Планируются эксперименты по комбинированной терапии: оригами с доксорубицином и трастузумабом на поверхности будет нацеливаться на HER2-положительные раковые клетки молочной железы. Методология дизайна пептоидов находится на стадии патентования. Исследования переходят в трансляционную стадию с экспериментами на клетках и, потенциально, целых организмах.