Tutkijat seurasivat reaaliajassa, miten syöpälääke vapautui DNA-nanorakenteista

1) Dox-syöpälääkemolekyylit (punainen) ladataan DNA-origamiin (sininen rusetti) interkalaatioksi kutsutun kemiallisen reaktion avulla. 2) Endonukleaasi (vihreä) aiheuttaa DNA-origamin hajoamisen. 3) Kun origami hajoaa lyhyiksi yksijuosteisiksi pätkiksi, lääkettä vapautuu ympäristöön. Kuva: tutkimuksen kirjoittajat

DNA-nanoteknologia – tutkimusala, jossa hyödynnetään DNA-molekyylejä rakennuselementteinä – on yleistynyt viime vuosina ja mahdollistanut yhä monimutkaisempien nanorakenteiden muodostamisen. DNA-nanorakenteet, kuten DNA-origamit, soveltuvat erinomaisesti muun muassa lääkeaineita kuljettavien nanokantajien rakennuspalikoiksi. Toistaiseksi tiedetään kuitenkin vain vähän siitä, miten kehon ulkopuolista DNA:ta pilkkovat entysyymit, kuten endonukleaasit, hajottavat näitä rakenteita verenkierrossa ja kudoksissamme.

Aalto-yliopiston, Jyväskylän yliopiston, Ludwig-Maximilian-Universität Münchenin (Saksa) ja Universität Paderbornin (Saksa) tutkijat ryhtyivät ratkomaan kysymystä menetelmällä, jolla havainnoitiin lääkeaineita sisältävien DNA-origamien endonukleaasihajoamista reaaliajassa.

Aiemmassa tutkimuksessaan tutkijat seurasivat hajoamisprosessia yksittäisten pinnalle asemoitujen DNA-origamirakenteiden tarkkuudella  nopean atomivoimamikroskoopin avulla. He havaitsivat muun muassa, että DNA-origamien rakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat niiden hajoamisnopeuteen ympäristössä, jossa on runsaasti endonukleaaseja.

Nyt he tarkastelivat samanaikaisesti sekä DNA:n hajoamista että hajoamisen aiheuttamaa doksorubisiini-syöpälääkkeen (dox) vapautumista DNA-rakenteista. Lääke sitoutuu DNA-kaksoiskierteen emäsparien väliin.

”Saimme selvitettyä sekä nukleaasien aiheuttaman hajoamisen että lääkeaineen vapautumisen nopeusprofiilit tarkkailemalla DNA:n ja lääkeaineen spektroskooppisten ominaisuuksien muuttumista prosessin aikana. Tämä menetelmä mahdollisti nanorakenteiden käyttäytymisen seuraamisen niiden liikkuessa vapaasti nesteessä”, sanoo tutkimusta johtanut Aalto-yliopiston dosentti Veikko Linko.

”Vaikuttaa siltä, että pinnoilla ja liuoksessa tapahtuvat hajoamisprosessit poikkeavat toisistaan. Käyttämällä tietoa molemmista prosesseista voimme analysoida, miten nukleaasit pilkkoisivat nanorakenteita esimerkiksi verenkierrossa. Lisäksi osoitimme, että lääkeaineen vapautumisprofiilit olivat vahvasti kytköksissä rakenteiden hajoamisprofiileihin. DNA-nanorakenteen muotoa tai geometriaa muokkaamalla saimme säädettyä lääkeannoksen vapautumisnopeutta”, kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, tohtorikoulutettava Heini Ijäs.

Tutkimusryhmän jäsenet tarkastelivat myös lääkkeen sitoutumista DNA-rakenteisiin ja huomasivat, että valtaosa aikaisemmin tehdyistä tutkimuksista on yliarvioinut DNA-rakenteeseen ladatun dox-lääkkeen määrän.

”Monet julkaisut ovat kertoneet doksorubisiinia sisältävien DNA-nanorakenteiden vaikutuksista syövän vastaisessa taistelussa. Niissä on kuitenkin ollut pitkälti kyse vapaista yksittäisistä dox-molekyyleistä tai molekyyliryppäistä eikä lääkkeillä ladatuista DNA-rakenteista. Tutkimuksemme on erittäin tärkeä turvallisempien ja tehokkaampien lääkeaineiden kulkeutumismekanismien kehittämisen kannalta ja siten myös askel kohti DNA-pohjaisten biolääketieteellisten ratkaisujen soveltamista reaalimaailmaan”, Ijäs toteaa.

Artikkeli: H. Ijäs, et al. Unraveling the interaction between doxorubicin and DNA origami nanostructures for customizable chemotherapeutic drug release.

Nucleic Acids Research 49 (2021), gkab097

Tulokset on julkaistu Nucleic Acids Research -julkaisussa etukäteisartikkelina 28. helmikuuta.

Linkki julkaisuun (academic.oup.com)

https://doi.org/10.1093/nar/gkab097

Tutkimusta ovat rahoittaneet Emil Aaltosen säätiö, Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon säätiö, Sigrid Juséliuksen säätiö sekä Suomalaisen Tiedeakatemian Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahasto.

Lisätietoja:

Dosentti Veikko Linko
Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
puh. 045 673 9997
veikko.linko@aalto.fi

Tohtorikoulutettava Heini Ijäs
Nanotiedekeskus, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto & Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
heini.ijas@jyu.fi