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

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Uta Reibetanz
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437539561

DNA Origami-Nanostrukturen und Boxen, d. h. dreidimensionale Formationen aus langer einzel-strängiger DNA und kurzen Oligonukleotid-Verbindungsstücken, stellen ein sehr vielseitiges Wirkstofftransportsystem (WTS) dar. Eine wesentliche konstruktive Besonderheit, die dieses System von anderen WTS unterscheidet, ist die Einbaubarkeit schaltbarer Elemente, d. h. die Option nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip die Boxen gezielt an der adressierten Position in der Zelle zu öffnen und den Wirkstoff freizusetzen.Trotz dieser Vorteile wird die biomedizinische Anwendbarkeit noch von einigen Faktoren negativ beeinflusst: Aufnahmerate und intakte Freisetzung ungeschützter Origami ins Zytoplasma sind stark limitiert, und in Blut und endolysosomalen Zellkompartimenten variierende Proteasen, Enzyme und Salzkonzentrationen können massiv die Stabilität der Origami-Nanostrukturen beeinflussen. Auch eine zusätzliche Funktionalisierung der Origami kann nur eingeschränkt vorgenommen werden, da eine veränderte Stabilität resultieren kann. Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt nun darauf, Origami-Nanostrukturen stabiler, adressierbarer und funktionabler zu gestalten und damit ihre Anwendung zu verbessern. Dafür wird eine Layer-by-Layer(LbL)-Beschichtung der Origami mit Biopolymeren angestrebt und drei Ansätze verfolgt: 1) Ein mikrometer-großes Hybrid-WTS (3-5µm) stellt den ersten Ansatz dar. Hier wird ein sphärisches Templat mit einer Biopolymer-Multischicht beschichtet und in diese Origami-Nanostrukturen eingebettet. Somit können die Vorteile eines übergeordneten LbL-Carriers (Schutzfunktion, kontrollierte Origami-Freisetzung, Assemblierung von funktionellen Molekülen/Schlüsselelementen) mit denen des Origami (Schaltfunktion, Sofortfreisetzung) kombiniert und diese Eigenschaften sowohl zur strukturellen Grundlagenuntersuchungen der Origami als auch als eigenständiges WTS genutzt werden. 2) Dieses Hybrid-WTS wird anschließend auf 100-500nm verkleinert, um den Transport im Blut zu verbessern. 3) Die LbL-Technik wird auf die Origami-Nanostruktur (40-120nm) übertragen und entsprechende Beschichtungsbedingungen etabliert.Als übergreifendes Ziel aller Ansätze wird konstruktiv angestrebt, die Schaltfunktion der Origami durch die Polymerbeschichtung nicht zu beeinträchtigen und Origami-unabhängig funktionelle Komponenten zu assemblieren. In diesem Zusammenhang werden Design, erwünschter Effekt und Effizienz der Carrier unter Modell- und zellulären Bedingungen untersucht und Modell- und spezifische (siRNA) Wirkstoffe dafür eingesetzt. Diese Untersuchungen können somit das Anwendungsspektrum der Origami-Nanostrukturen maßgeblich verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen