Examinando a biodistribuição e função de nanoestruturas de origami de polímero-DNA
Caracterização estrutural das nanoestruturas de origami de DNA e avaliação da qualidade de sua montagem. (a) Esquema do projeto. As linhas mostram as diferentes nanoestruturas de origami de DNA investigadas:cubóide, bastão curto e bastão longo (de cima para baixo). As colunas mostram diferentes visualizações das nanoestruturas do origami de DNA:3D, vista frontal e lateral (da esquerda para a direita). Os pares FRET são distribuídos uniformemente nas nanoestruturas de origami de DNA e mostrados como diamantes vermelhos (Atto 647N) e verdes (Atto 488). Todas as barras de escala são de 20 nm. (b) Avaliação da qualidade das nanoestruturas de origami de DNA após montagem (pistas 3, 6, 9), após purificação de PEG (pistas 4, 7, 10) e após adição de PEG-polilisina (pistas 5, 8, 11) conforme analisado por gel eletroforese. DNA de fita dupla de 1 kb foi usado como escada e bandas específicas são indicadas, os números estão em kb. Andaime. Estrutura de ssDNA P7560. As setas vermelhas indicam excesso e sobras de grampos, as setas verdes representam as nanoestruturas bem dobradas antes e depois da purificação do PEG, e as setas pretas mostram as nanoestruturas purificadas revestidas com PEG5K-K10. (c) Nanoestruturas de origami de DNA visualizadas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Cada estrutura foi fotografada antes e depois do revestimento PEG-Poli (lisina), conforme indicado. Todas as barras de escala são 100 nm. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1038/s41598-023-46351-1 A capacidade de regular a biodistribuição de medicamentos é uma característica altamente desejada que pode limitar os efeitos colaterais de muitos medicamentos. Em um novo estudo publicado na Relatórios Científicos , Noah Joseph, e uma equipe de cientistas de biotecnologia e nanociência em Israel, descrevem um agente em nanoescala desenvolvido a partir de um híbrido de origami polímero-DNA acoplado, capaz de exibir estabilidade no soro e difusão lenta através dos tecidos.
Ao acoplar fragmentos de polietilenoglicol por meio de interações eletrostáticas de poliamina, a equipe observou marcada estabilidade dos agentes in vivo, onde mais de 90% dos constituintes mantiveram a integridade estrutural por cinco dias após a injeção subcutânea.
As descobertas destacam as nanoestruturas híbridas polímero-DNA como agentes farmacológicos viáveis que podem entrar nas principais tecnologias, incluindo seu uso como anticorpos monoclonais para atividade medicamentosa.
Terapêutica com origami de DNA
Muitos medicamentos, incluindo pequenas moléculas e produtos biológicos, funcionam sistematicamente sem a capacidade inata de distribuição e função. Esta é a força motriz central dos efeitos adversos e um componente importante do comprometimento de muitos medicamentos novos em ensaios clínicos e uso clínico.
Embora grandes esforços tenham sido feitos nas últimas décadas para conseguir a regulação da actividade dos medicamentos, actualmente os medicamentos aprovados representam apenas uma pequena fracção do verdadeiro potencial dos mecanismos terapêuticos dos medicamentos.
Os anticorpos monoclonais são um método farmacêutico convencional e bem comprovado que exemplifica este desafio. Os medicamentos monoclonais permitiram tratamentos inovadores em doenças que até agora eram consideradas quase intratáveis em oncologia, imunologia e doenças inflamatórias. O origami de DNA com andaimes é um método para desenvolver nanoestruturas de DNA e facilitar a regulação espacial precisa e a funcionalidade na escala sub-nm.
Uma nova estratégia para a terapêutica do DNA
As propriedades únicas são adequadas a uma variedade de campos de pesquisa, para marcá-los como agentes terapêuticos e de diagnóstico da próxima geração. Uma variedade de métodos de funcionalização de origami de DNA pode atingir maior complexidade funcional quando comparado com anticorpos monoclonais.
Nesta nova estratégia apresentada por Joseph e colegas, a equipe facilitou a regulação espacial da atividade da droga acoplando agentes híbridos em nanoescala de polímero-DNA origami. Esses projetos podem ser adaptados a diversas proteínas alvo para uma variedade de patologias de ampla funcionalidade terapêutica.
Neste trabalho, Joseph e colegas apresentaram uma estratégia para fornecer constituintes de medicamentos terapêuticos baseados em compostos híbridos em nanoescala acoplados de polímero-DNA. Seguindo os estudos usuais de caracterização cinética e de estabilidade de várias construções de origami de DNA in vivo, os cientistas selecionaram uma nanoestrutura de DNA ideal como prova de princípio para aplicações terapêuticas com efeitos antiinflamatórios altamente potentes em um modelo de camundongo e em tumores humanos. Fator de necrose alfa. Biodistribuição de diferentes nanoestruturas de origami de DNA. (a) Análise de imagens ao vivo da biodistribuição corporal total ao longo do tempo das nanoestruturas de origami de DNA indicadas após sua injeção subcutânea em camundongos. A cor falsa do mapa de calor se correlaciona com os níveis de FRET. (b) Quantificação da fluorescência de eficiência total obtida em imagens de camundongos de A. A mesma região de interesse (ROI) foi escolhida em torno da área de injeção para cada camundongo e a eficiência total fluorescente FRET das nanoestruturas de origami de DNA indicadas foi medida em cada ROI ao longo do tempo pontos. Os cálculos foram realizados conforme descrito em "Métodos". Os dados apresentados são os valores médios ± SEM. (c) Quantificação da difusão indicada da nanoestrutura do origami de DNA ao longo do tempo após sua injeção subcutânea em camundongos. Os cálculos foram realizados conforme descrito em "Métodos" com base em imagens de camundongos de A. Os dados apresentados são os valores médios ± SEM. (d) Análise de imagens ao vivo da biodistribuição corporal total ao longo do tempo das nanoestruturas de origami de DNA indicadas após sua injeção nas articulações dos joelhos de camundongos. A cor falsa do mapa de calor se correlaciona com os níveis de FRET. (e) Quantificação da fluorescência de eficiência total obtida em imagens de camundongos de D. A mesma região de interesse (ROI) foi escolhida em torno da área de injeção para cada camundongo e a eficiência total fluorescente FRET das nanoestruturas de origami de DNA indicadas foi medida em cada ROI ao longo do tempo pontos. Os cálculos foram realizados conforme descrito em "Métodos". Os dados apresentados são os valores médios ± SEM. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1038/s41598-023-46351-1 Os experimentos
Para iniciar o estudo de prova de viabilidade, a equipe de pesquisa escolheu três nanoestruturas diferentes de origami de DNA de massa semelhante e as analisou com eletroforese em gel para determinar a qualidade do volume. Eles usaram microscopia eletrônica de transmissão antes e depois de revestir as nanoestruturas de DNA com polietileno glicosilato-polilisina através de interações de amina e fosfato para aumentar a massa de DNA e aumentar sua ligação ao polietileno glicosilato e garantir a estabilidade das nanoestruturas de origami de DNA.
Os medicamentos com estabilidade in vivo são adequados para distribuição e a equipe explorou isso realizando imagens ao vivo de camundongos tratados com nanoestruturas revestidas de polímero administradas por via subcutânea nas articulações dos joelhos ou por via intraperitoneal em camundongos.
Embora a haste longa apresentasse difusão prolongada ao longo do tempo, foi possível combinar uma difusão mais lenta com maior estabilidade por via subcutânea. Os cientistas exploraram a cinética e a estabilidade in vivo das descobertas para selecionar as nanoestruturas de bastonetes de contagem de polímeros como constituintes eficientes para experimentos drogáveis.
Efeitos terapêuticos das nanoestruturas de origami de DNA
Os cientistas estudaram as nanoestruturas de bastonetes longos redesenhadas para representar os aptâmeros alfa do fator de necrose tumoral humano e os ancoraram uniformemente nas estruturas superficiais. Joseph e colegas analisaram a funcionalização de estruturas de origami de DNA de bastonete longo usando eletroforese em gel de agarose, microscopia eletrônica de transmissão e microscopia de força atômica.
A equipe examinou a estabilidade dos constituintes no soro humano durante 10 dias e identificou sua integridade estrutural para biodistribuição e estudos in vivo.
Perspectiva
Desta forma, Noah Joseph e a equipe de pesquisa descrevem a cinética in vivo de três nanoestruturas de origami de DNA de diferentes formatos estabilizadas pelo polímero polietilenoglicol-polilisina. Os cientistas escolheram o candidato ideal e funcionalizaram as nanoestruturas de bastonetes longos, anexando aptâmeros alfa do fator de necrose tumoral humano para atingir a proteína alfa do fator de necrose tumoral humana.
A equipe de pesquisa descreve o potencial terapêutico das nanoestruturas de origami de DNA de copolímero funcionalizado para funcionar em ambientes biológicos complexos. As descobertas combinadas destacam a influência das nanoestruturas de DNA como um agente terapêutico significativo para a medicina de precisão e a funcionalidade dos agentes terapêuticos.
Mais informações: Noah Joseph et al, Biodistribuição e função de nanoestruturas de origami de polímero-DNA acopladas, Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-46351-1 Informações do diário: Relatórios Científicos , Avanços da ciência
