DNA -hydrogels tonen belofte voor aanhoudende drugsafgifte

Hydrogels zijn polymere materialen met driedimensionale netwerkstructuren die grote hoeveelheden water bevatten. Ze dienen als medicijnafgiftesystemen met aanhoudende afgifte, omdat ze verschillende bioactieve stoffen kunnen inkapselen, waaronder geneesmiddelen, antigenen en zelfs cellen.

Hydrogels zijn betere alternatieven voor geneesmiddelen dan conventionele systemen, omdat ze meer biocompatibel, biologisch afbreekbaar zijn en gemakkelijk worden toegediend als een injecteerbaar steiger.

DNA heeft veel aandacht gekregen als een veelbelovend hydrogelmateriaal dankzij de aanpasbare fysicochemische eigenschappen, wat leidt tot de ontwikkeling van verschillende DNA -hydrogels. Huidige methoden zoals DNA-ligase-gekoppelde hydrogels vormen echter veel uitdagingen, waaronder potentiële allergische reacties en complexe toedieningsprocedures die klinische toepassingen beperken.

Onlangs werd een polypod-achtig nanostructureerd nucleïnezuur of polypodna geconstrueerd met behulp van drie of meer vooraf ontworpen oligodeoxynucleotiden (ODN’s) met gedeeltelijk complementaire sequenties om deze uitdagingen aan te gaan. Deze efficiënte DNA -nanostructuren zijn gemakkelijk te injecteerbaar en hervormen gemakkelijk in hydrogels op de injectieplaats nadat hij is geïnjecteerd.

Hoewel deze benadering zelfgelatiniserende nucleïnezuren creëert die hydrogels vormen zonder DNA-ligase, vereist het meerdere ODN’s, wat leidt tot hoge bereidingskosten, ontwerpcomplexiteit en een verhoogde kans op off-target effecten vanwege het grote aantal betrokken DNA-basen.

Om dit aan te pakken, werd een Takumi-vormige DNA-eenheid gevormd met slechts twee ODN’s. Studies die de optimalisatie ervan onderzoeken als een geneesmiddelendrager aan duurzame afgifte of het retentievermogen ervan zijn beperkt.

In hun nieuwe studie gepubliceerd in de Journal of Controlled ReleaseProfessor Makiya Nishikawa, samen met de heer Jian Jin, universitair docent Shoko Itakura, en universitair hoofddocent Kosuke Kusamori, van de Tokyo University of Science, Japan, bedoeld om deze aspecten van takumi-gevormde DNA-nanostructuren aan te pakken.

Prof. Nishikawa legde de motivatie achter de studie uit: “Ons doel was om DNA -nanostructuren te miniatureren en te optimaliseren, zodat stabiele DNA -hydrogels konden worden gevormd met minder nucleïnezuren.”

Elke ODN in de Takumi-vormige DNA-structuur werd geconstrueerd met een acht-18 nucleotide-lange palindromische stengel bevestigd aan twee samenhangende delen aan weerszijden met een thymidine (T) afstandser.

De ODN’s vormen een zelfdimeer via de palindromische sequentie en elke ODN werd genoemd volgens het aantal nucleotiden in de stengel- en samenhangende delen. Bijvoorbeeld 14S- (T-10C)₂ Verwijst naar een ODN met een stengellengte van 14 nucleotiden en een samenhangend deel van 10 nucleotiden die zich aan beide uiteinden van de stengel bevinden.

Om het takumi-vormige DNA als een injecteerbare hydrogel-eenheid met aanhoudende retentie te optimaliseren, hebben onderzoekers systematisch verschillende ODN-lengtes ontworpen en de correlatie onderzocht tussen structurele eigenschappen en hydrogelprestaties, met een speciale focus op in vivo retentiemogelijkheden.

Hun bevindingen laten zien dat de hydrogeleigenschappen, zoals smelttemperaturen en stabiliteit, afhankelijk zijn van de lengte van de stengel en de samenhangende delen. ODN’s met stengellengtes van 12 nucleotiden of langer efficiënt gevormd de hydrogel-eenheden, wat suggereert dat een 12-nucleotide-lange stengel voldoende is voor eenheidsvorming. Evenzo vertoonden samenhangende delen effectieve hybridisatie en interacties op een lengte van 10 nucleotiden.

De onderzoekers beoordeelden ook de opslagmodulus van hydrogels, die helpt te begrijpen hoe de hydrogel verandert onder verschillende fysieke omstandigheden, door te variëren van lengtes van samenhangende onderdelen, wat aantoont dat 10-nucleotide-lange GC-rijke cohesieve onderdelen een betere thermische stabiliteit en opslagmodulus vertonen in vergelijking met andere formaties.

“De lengte van de 12S- (T-10C)₂-Odn, die de hoogste retentie bij muizen vertoonde, was 34 bases, waarbij slechts twee ODN’s moesten worden gevormd. In totaal waren slechts 68 nucleotiden nodig voor DNA-hydrogelvorming-markerlijk minder dan de op Hexapodna gebaseerde DNA-hydrogel bestaande uit 12 verschillende 40-base lange ODN’s, “legt prof. Nishikawa uit.

In vivo experimenten met doxorubicine-geïntercaleerde DNA-hydrogels van 12s- (T-10C)₂-Odns vertoonden langdurige persistentie van ten minste 168 uur na de administratie, wat bijdroeg aan uitgesproken anti-tumoreffecten bij muizen, vanwege de aanhoudende afgifte van doxorubicine op de plaats van injectie. Bovendien kunnen takumi-vormige DNA-hydrogels mogelijk gerichte immuunresponsen induceren, waardoor ze effectieve antigeen-afleveringssystemen zijn.

“De geoptimaliseerde DNA-hydrogel bereid met 12S- (T-10C)₂ vertoonde een meer aanhoudende retentie dan de op Hexapodna gebaseerde DNA-hydrogel na in vivo toediening bij muizen. Deze resultaten benadrukken de toepasbaarheid van DNA -hydrogels als toedieningssystemen voor bioactieve materialen, “concludeert Prof. Nishikawa.

Over het algemeen toont deze studie aan hoe minimale DNA -eenheden kunnen samenkomen om biocompatibele hydrogels te vormen met hoge retentietijden en aanhoudende capaciteiten voor geneesmiddelen, en biedt een veelbelovende biomedische innovatie voor gerichte therapieën.