ДНК-наноструктуры — это перспективные новые биомедицинские инструменты с множеством потенциальных применений в лечении, диагностике и профилактике заболеваний. Изготовленные из сложенной ДНК, эти наноструктуры обладают высокой программируемостью и ранее использовались в лаборатории профессора Синь Вана для экспресс-тестов на вирусы, мощного ингибирования и адресной доставки противоопухолевых препаратов.
Несмотря на многообещающие перспективы, эти структуры быстро разрушаются в биологических средах, что ограничивает их потенциал. Виной тому ионы магния. Хотя они необходимы для их сборки, ионы магния также делают ДНК-наноструктуры нестабильными в большинстве организмов, вызывая их быстрое разрушение.
Однако Ван и аспирант-биоинженер Дхануш Гандавади совершили прорыв, который был недавно опубликован в Journal of the American Chemical Society. В качестве альтернативы металлическим ионам команда начала изучать ионные жидкости, такие как дигидрофосфат холина (CDHP), которые представляют собой жидкие соли.
«Мы разработали более простую, быструю и альтернативную стратегию сборки ДНК-наноструктур, которые не только выживают в суровых биологических условиях, но и работают лучше. Это как если бы мы дали ДНК-наноструктурам защитный костюм для реальных биомедицинских применений», — говорит профессор Ван.
«Ионные жидкости традиционно использовались в нефтехимической, электрохимической промышленности и в производстве батарей, — объясняет Ван. — Поскольку одно из направлений наших исследований сосредоточено на доставке лекарств и терапии с помощью ДНК-наноструктур, мы задались вопросом, можно ли собрать ДНК-наноструктуры в ионных жидкостях и использовать их свойства для потенциальных терапевтических применений».
Результаты превзошли ожидания исследователей. Хотя лаборатория Вана ставила перед собой задачу лишь проверить, сохранят ли наноструктуры функциональность при сборке новым способом, данные показали, что способность структур связываться с белковыми биомаркерами на поверхности клеток улучшилась, что позволило более точно нацеливаться.
Наноструктуры даже продемонстрировали особое сродство при связывании с раковыми клетками, что было сложно сделать в предыдущих системах сборки на основе магния. Наноструктуры, полученные с помощью этого нового метода, также сохранялись гораздо дольше в моделируемых биологических средах, в некоторых случаях до 48 часов.
Эти открытия могут открыть новые возможности для применения ионных жидкостей в доставке лекарств. «Наша работа показывает, что ионные жидкости могут служить не только в качестве покрытий, но и в качестве функциональных носителей для ДНК-наноструктур в доставке лекарств и терапии», — сказал Ван. «Эта двойная роль — защита и усиление связывания — открывает новые возможности для разработки наноматериалов для медицины».
Лаборатория Вана работает над тем, чтобы внедрить этот новый процесс в практику. «Сейчас мы адаптируем эту платформу для лечения рака и понимаем, как эти ДНК-наноструктуры на основе ионных жидкостей работают при нацеливании и доставке полезных грузов в раковые клетки», — сказал он.
В будущем Ван надеется, что эта новая методология сборки ДНК-наноструктур сделает эту технологию доступной для большего числа лабораторий. «Текущие стратегии сборки и стабилизации часто включают несколько этапов, высокую стоимость и снижение функциональности в физиологических условиях», — сказал он. «Наш метод представляет собой универсальную, экономически эффективную альтернативу, которая позволяет получать стабильные и функциональные наноструктуры, потенциально полезные для лабораторий по всему миру».
Ван благодарит своих сотрудников, включая профессора Аруна Ричарда из Университета в Олбани, который продемонстрировал сборку меньших по размеру ДНК-мотивов на основе плиток в ионных жидкостях.
ДНК-наноструктуры — это захватывающее направление биомедицинской технологии, и Ван надеется продолжить совершенствовать эту область. С улучшением стабильности и производительности этих инструментов, созданных в Иллинойсе, вскоре может быть раскрыт их полный потенциал.