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DNA faltet sich zu einer intelligenten Nanokapsel für die Medikamentenabgabe

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Forscher der Universität Jyväskylä und der Aalto University in Finnland haben eine maßgeschneiderte DNA-Nanostruktur entwickelt, die eine vordefinierte Aufgabe unter körperähnlichen Bedingungen erfüllen kann. Dazu baute das Team einen kapselartigen Träger, der sich entsprechend dem pH-Wert der umgebenden Lösung öffnet und schließt. Die Nanokapsel kann mit einer Vielzahl von Ladungen beladen oder verpackt, für die Auslieferung verschlossen und durch einen subtilen pH-Wertanstieg wieder geöffnet werden.

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Die Funktion der DNA-Nanokapsel basiert auf pH-reaktiven DNA-Resten.

Um dies zu ermöglichen, entwarf das Team eine kapselartige DNA-Origami-Struktur, die mit pH-reaktiven DNA-Strängen funktionalisiert wurde. Solche dynamischen DNA-Nanodesigns werden oft durch die einfache Wasserstoffbindung von zwei komplementären DNA-Sequenzen gesteuert. Hier wurde eine Hälfte der Kapsel mit spezifischen doppelsträngigen DNA-Domänen ausgestattet, die eine DNA-Tripelhelix bilden könnten, d.h. eine Helixstruktur, die aus drei, nicht nur zwei DNA-Molekülen besteht, indem sie an eine geeignete einzelsträngige DNA in der anderen Hälfte gebunden wurde.

"Die Triplexbildung kann nur erfolgen, wenn der umgebende pH-Wert der Lösung stimmt. Wir nennen diese pH-reaktiven Stränge "pH-Verriegelungen", weil sie im Zusammenspiel ähnlich wie ihre makroskopischen Gegenstücke funktionieren und die Kapsel in einem geschlossenen Zustand verriegeln. Wir haben mehrere Motive in unser Kapseldesign aufgenommen, um das Öffnen/Schließen der Kapsel zu erleichtern, basierend auf dem kooperativen Verhalten der Verschlüsse. Das Öffnen der Kapsel ist eigentlich sehr schnell und erfordert nur einen geringen pH-Wertanstieg in der Lösung", erklärt der Erstautor der Studie, die Doktorandin Heini Ijäs vom Nanoscience Center der Universität Jyvaskyla.

Nanopartikel und Enzyme können in die Kapseln eingefüllt und verkapselt werden

Um die Nanokapseln für den Transport molekularer Nutzlasten oder therapeutischer Substanzen zu nutzen, entwarf das Team die Kapsel mit einem Hohlraum, in dem verschiedene Materialien untergebracht werden können. Sie zeigten, dass sowohl Goldnanopartikel als auch Enzyme geladen (hoher pH-Wert) und in den Kapseln verkapselt (niedriger pH-Wert) und wieder angezeigt (hoher pH-Wert) werden konnten. Durch die Überwachung der Enzymaktivität fanden die Forscher heraus, dass die Ladung im Laufe des Prozesses voll funktionsfähig blieb.

"Das Faszinierende an den DNA-Origami-Kapseln ist, dass der Schwellen-pH, bei dem das Öffnen und Schließen stattfindet, durch die Auswahl der Basensequenzen der pH-Verriegelungen vollständig einstellbar ist. Wir haben den Schwellenwert für den pH-Wert auf 7,2-7,3 festgelegt, nahe dem Blut-pH-Wert. In Zukunft könnte diese Art von Medikamententräger optimiert werden, um sich selektiv in bestimmten Krebszellen zu öffnen, die einen höheren pH-Wert als normale gesunde Zellen beibehalten können", sagt Veikko Linko, außerordentlicher Professor an der Aalto University.

Darüber hinaus blieben die Kapseln bei physiologischen Magnesium- und Natriumkonzentrationen sowie bei 10 Prozent Blutplasma funktionsfähig und können bei noch höheren Plasmakonzentrationen weiter funktionieren. Zusammengenommen ebnen diese Ergebnisse den Weg für die Entwicklung intelligenter und vollständig programmierbarer Fahrzeuge zur Wirkstoffabgabe für die Nanomedizin.