Layer-by-Layer modifizierte DNA Origami-Nanostrukturen als funktionelles Wirkstofftransportsystem

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Uta Reibetanz
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437539561

Die Herstellung von DNA Origami-Nanostrukturen basiert auf der Verknüpfung einer langen, einzelsträngigen DNA mit kurzen Oligonukleotid-Verbindungsstücken, die zu zwei- oder dreidimensionalen Strukturen geformt werden kann. Wir nutzen in unserem Ansatz eine offene 40 nm × 25 nm × 25 nm Röhrenstruktur, die mit zwei 30 nm × 25 nm × 25 nm-Deckeln verschlossen werden kann und damit eine Box bilden. Solch eine Box kann variabel mit einem Cargo gefüllt werden, indem im Inneren der Röhre ein kurzes DNA-Stück (Target) assembliert, das Cargo mit dem entsprechenden Komplementstück ausgestattet und in der offenen Röhre eine Bindung initiiert wird. Wird danach die Röhre verschlossen und ein kurzer komplementärer DNA-Strang (Incumbent) zugegeben, der die Wände der Box durchdringen kann. Innen wird eine Toehold-mediated Strand Displacement-Reaktion ausgelöst und das Cargo in einen in der Kavität frei beweglichen Status überführt. Es stellte sich allerdings anfangs heraus, dass selbst das viel größere Cargo in der Lage ist, die Origamiwand zu durchdringen. Daher musste im ersten Ansatz eine geeignete Struktur gefunden werden, um den kleinen Invader passieren zu lassen, das große Cargo aber effizient zurückzuhalten. Definierte Modifikationen der Verbindungsstücke und der Verbindung zwischen Röhre und Deckeln sowie eine Erhöhung der eingeschlossenen Cargomoleküle brachten bereits eine große Verbesserung der Rückhaltekapazität. Diese Origami-Nanostrukturen stellen nun die Basis für weitere Entwicklungen dar. Berücksichtigt man nun die Anwendung unter zellulären Bedingungen, kommt ein weiterer Anspruch hinzu: die Stabilität und hohe Rückhaltekapazität bei 37°C, in physiologischen Salzkonzentrationen und unter dem Einfluß der Aktivität von Enzymen, Proteasen und Nukleasen. Um auch diesem Anspruch gerecht zu werden, muss eine gut ausbalancierte Mischung an zusätzlichen Funktionalisierungen etabliert werden. In diesem Projekt wird daher der Fokus auf zwei Richtungen in der Weiterentwicklung der DNA Origami als Wirkstofftransporter liegen: Zum einen soll die kombinierte Rückhaltekapazität und Stabilität unter zellulären Bedingungen speziell durch eine Funktionalisierung der Origamioberfläche erreicht werden, indem sowohl verschiedene Polymere und Lipide beschichtet als auch die DNA-Struktur selbst durch Crosslinkung verdichtet werden soll. Hier soll auch eine definierte Lochstruktur etabliert werden, um den Wirkstoff unter diesen Bedingungen auch gezielt in der Zelle freizusetzen. Zum anderen soll die bisherige teildurchlässige Struktur mit entsprechend verbesserter Stabilität verwendet werden, um eine kontinuierliche Langzeitfreisetzung zu erreichen. Diese verschiedenen DNA Origami-Nanostrukturen werden dafür mit funktionellen Molekülen (z.B. Doxorubicin) ausgestattet und hinsichtlich ihrer Stabilität und Funktionalität in Modellumgebungen und an Zellkulturen untersucht und verbessert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ralf Seidel