DNA-nanotechnologie - het onderzoeksveld dat DNA-moleculen als bouwmateriaal gebruikt - heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en heeft de constructie van steeds complexere nanostructuren mogelijk gemaakt. DNA-nanostructuren, zoals DNA-origami, dienen als een uitstekende basis voor toepassingen voor medicijnafgifte op basis van nanodragers, en voorbeelden van hun gebruik in medische behandelingen zijn al aangetoond. Hoewel de stabiliteit van dergelijke DNA-nanostructuren onder fysiologische omstandigheden kan worden verbeterd, er is weinig bekend over hun vertering door endonucleasen, die, overal in ons bloed en weefsels te vinden, zijn verantwoordelijk voor het vernietigen van vreemd DNA in ons lichaam.

Om deze opkomende vraag aan te pakken, een team van onderzoekers van Aalto University (Finland), de Universiteit van Jyväskylä (Finland), Ludwig-Maximilian-Universität München (Duitsland) en Universität Paderborn (Duitsland) hebben een manier gevonden om de endonuclease-gestuurde vertering van met medicijnen beladen DNA-nanostructuren in realtime te bestuderen.

De eerdere experimenten van de onderzoekers gebruikten snelle atoomkrachtmicroscopie om aan te tonen dat het ontwerp van DNA-origami een rol speelt in hoe snel ze uit elkaar vallen in een endonucleaserijke omgeving. Hoewel ze het verteringsproces op een enkelvoudig structuurniveau konden volgen, de aanpak was beperkt tot tweedimensionale DNA-origami-vormen die op een microscoopsubstraat waren afgezet.

Nu heeft de groep de DNA-afbraak gevolgd en de daaropvolgende afgifte van doxorubicine (Dox) tegen kanker uit de DNA-structuren. De geneesmiddelbindingen tussen DNA-basenparen.

"We hebben zowel de verterings- als de geneesmiddelafgifteprofielen waargenomen, aangezien het geneesmiddel vrijkomt bij DNA-fragmentatie door nucleasen, en belangrijker nog, in de oplossingsfase. Met deze methode kunnen we het collectieve gedrag van alle nanostructuren zien wanneer ze vrij in vloeistof drijven, " zegt adjunct-professor Veikko Linko van Aalto University, die de studie leidde.

"Het lijkt erop dat de vertering anders verloopt op substraten en in oplossing, en door deze twee soorten informatie te combineren, we kunnen beter begrijpen hoe de nanostructuren worden verteerd door nucleasen in de bloedbaan. Bovendien, we toonden aan dat de profielen van de geneesmiddelafgifte nauw verband hielden met de verteringsprofielen, en een breed scala aan medicijndoses kan worden bereikt door simpelweg de vorm of geometrie van de DNA-nanostructuur te veranderen, " legt promovendus Heini Ijäs uit, de hoofdauteur van het onderzoek.

Terwijl het team de binding van Dox aan de DNA-structuren tot in detail onderzocht, ze ontdekten dat de meeste eerdere onderzoeken de Dox-laadcapaciteit van DNA-origami enorm hebben overschat.

"De antikankereffecten van met Dox uitgeruste DNA-nanostructuren zijn in veel publicaties beschreven, maar het lijkt erop dat deze effecten voornamelijk veroorzaakt zijn door vrije of geaggregeerde Dox-moleculen, niet door de met medicijnen beladen DNA-motieven. Wij zijn van mening dat dit soort informatie cruciaal is voor de ontwikkeling van veilige en effectievere medicijnafgiftesystemen, en brengt ons een stap dichter bij real-world DNA-gebaseerde biomedische toepassingen, " zegt Ijäs.