Исследование биораспределения и функции полимерно-ДНК-оригами наноструктур

Способность регулировать биораспределение терапевтических средств — важное свойство, которое может ограничить побочные эффекты многих препаратов. В новом исследовании в Scientific Reports Ноа Джозеф и команда ученых в области биотехнологии и нанонауки из Израиля описывают наноразмерный агент, созданный из гибридной полимерно-ДНК-оригами структуры, демонстрирующий стабильность в сыворотке и медленную диффузию в тканях.

Путем связывания с фрагментами полиэтиленгликоля через электростатические взаимодействия полиаминов команда отметила значительную стабильность агентов in vivo: более 90% компонентов сохраняли структурную целостность в течение пяти дней после подкожной инъекции.

Результаты подчеркивают потенциал полимерно-ДНК гибридных наноструктур как жизнеспособных фармакологических агентов, которые могут войти в мейнстримные технологии, включая их использование в качестве моноклональных антител для регуляции лекарственной активности.

ДНК-оригами как терапевтическое средство

Многие препараты, включая малые молекулы и биологические агенты, действуют системно без врожденной способности к целенаправленному распределению. Это основная причина побочных эффектов и главный фактор, ограничивающий эффективность многих новых препаратов в клинических испытаниях и применении.

Моноклональные антитела — хорошо зарекомендовавший себя фармацевтический метод, который иллюстрирует эту проблему. ДНК-оригами на каркасе — это метод создания ДНК-наноструктур, позволяющий осуществлять точное пространственное регулирование и функциональность на субнанометровом уровне.

Новая стратегия для ДНК-терапевтики

В этой новой стратегии, представленной Джозефом и коллегами, команда обеспечила пространственную регуляцию лекарственной активности с помощью гибридных наноразмерных агентов на основе полимер-ДНК-оригами. Эти конструкции можно адаптировать для нескольких белков-мишеней при различных патологиях.

В данной работе команда представила стратегию доставки терапевтических компонентов на основе связанных гибридных полимер-ДНК-оригами наноразмерных соединений. После кинетических и стабильностных исследований нескольких конструкций ДНК-оригами in vivo ученые выбрали оптимальную ДНК-наноструктуру в качестве доказательства концепции для терапевтических применений, показав высокую противовоспалительную эффективность на модели мыши и в отношении человеческого фактора некроза опухоли альфа (TNF-α).

Эксперименты

Команда выбрала три разные наноструктуры ДНК-оригами схожей массы и проанализировала их с помощью гель-электрофореза. Они использовали просвечивающую электронную микроскопию до и после покрытия ДНК-наноструктур полиэтиленгликолят-полилизином через взаимодействия аминов и фосфатов для увеличения массы ДНК и обеспечения стабильности структур.

Команда исследовала распределение in vivo с помощью визуализации in vivo мышей, которым подкожно в коленные суставы или внутрибрюшинно вводили полимер-покрытые наноструктуры. Длинная стержневая структура показала протяженную диффузию во времени, что позволило сочетать более медленную диффузию с большей стабильностью при подкожном введении. Ученые выбрали полимер-содержащие стержневые наноструктуры как эффективные компоненты для экспериментов.

Терапевтические эффекты наноструктур ДНК-оригами

Ученые модифицировали длинные стержневые наноструктуры, представив на них аптамеры к человеческому TNF-α, и равномерно закрепили их на поверхности. Функционализацию проанализировали с помощью гель-электрофореза, просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.

Команда изучила стабильность компонентов в человеческой сыворотке в течение 10 дней и подтвердила их структурную целостность для исследований биораспределения in vivo.

Перспективы

Таким образом, Ноа Джозеф и исследовательская группа описывают кинетику in vivo трех наноструктур ДНК-оригами разной формы, стабилизированных полимером полиэтиленгликоль-полилизин. Ученые выбрали оптимальный кандидат — длинную стержневую наноструктуру — и функционализировали ее, присоединив аптамеры к человеческому TNF-α для нацеливания на этот белок.

Исследование описывает терапевтический потенциал функционализированных сополимерных ДНК-оригами наноструктур для работы в сложных биологических средах. Совокупные результаты подчеркивают значение ДНК-наноструктур как важного терапевтического агента для прецизионной медицины и управления функциональностью терапевтических средств.