Tutkimusuutiset

Tutkijat kehittivät DNA:sta älykkään nanokapselin lääkkeiden kuljettamiseen

Tuore tutkimus osoittaa, että DNA-nanorakenteet voivat toimia pH-arvoon reagoivina molekyylikuljettimina. DNA-molekyyleistä rakennettu laite, nanokapseli, voi avata uusia mahdollisuuksia lääkeaineiden kuljetukseen elimistössä.

Jyväskylän yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet DNA-nanolaitteen, joka voi suorittaa ohjelmoidun tehtävän ihmiskehon kaltaisissa olosuhteissa. Tutkimusryhmä kokosi DNA-molekyyleistä kapselimaisen rakenteen, joka avautuu tai sulkeutuu sitä ympäröivän biologisen ympäristön pH-arvon mukaan. Nanokokoiseen kapseliin voidaan pakata molekyylejä, sulkea se kuljetuksen ajaksi ja jälleen avata kohteessa pienten pH-muutoksien avulla.

Nanokapselin toiminta perustuu pH-responsiivisiin DNA-juosteisiin.

Jotta nanokapseli saatiin toimimaan halutulla tavalla, siihen liitettiin niin sanottuja pH-responsiivisia DNA-juosteita. Dynaamisten DNA-laitteiden toiminta perustuu usein DNA:n kaksoiskierteen muodostamiseen yksijuosteisista DNA-sekvensseistä, mutta tässä tutkimuksessa toimintaperiaate oli toisenlainen. Nanokapselin yhteen puoliskoon lisättiin DNA-kaksoiskierre, joka oli suunniteltu siten, että se saattoi muodostaa DNA-kolmoiskierteen kapselin toiseen puolikkaaseen kiinnitetyn yksijuosteisen DNA:n kanssa.

”Tämä kolmoiskierre muodostuu vain, jos liuoksen pH on juuri oikea. Nimitämme näitä juosteita pH-lukoiksi. Kun juosteet vuorovaikuttavat keskenään, ne toimivat kuin niiden makroskooppiset vastikkeensa eli lukitsevat kapselin. Lisäsimme kapseliin useita tällaisia lukkoja, ja niinpä avaus- ja sulkemismekanismi perustui useiden lukkojen yhtäaikaiseen toimintaan. Kapselin avaaminen on itse asiassa hyvinkin nopea prosessi ja vaatii vain hyvin pienen pH:n muutokseen", kertoo tohtorikoulutettava Heini Ijäs Jyväskylän yliopistosta.

Lääkemolekyylit kulkevat onkalossa kapselissa

Osoittaakseen että kapselilla voidaan kuljettaa molekyylejä tai lääkeaineita, ryhmä suunnitteli kapselin sisään onkalon, johon voidaan liittää minkälaisia molekulaarisia komponentteja tahansa. Tutkijat näyttivät, että esimerkiksi kultananopartikkeleita ja entsyymejä pystyttiin liittämään tämän nanolaitteen sisään (korkea pH), suojaamaan ne sulkemalla kapseli (matala pH) ja edelleen paljastamaan ne avaamalla kapseli (korkea pH).

Mittaamalla entsyymien aktiivisuutta ryhmä varmistui siitä, että kapseliin liitetty entsyymi todella pysyi toiminnallisena koko prosessin ajan.

”Kiehtovinta on se, että pH-arvo, jossa avautuminen tai sulkeutuminen tapahtuu, pystytään määrittämään hyvin tarkasti lukkojen DNA-sekvenssien avulla. Tässä työssä valitsimme sekvenssit siten, että pH:n kynnysarvo oli 7.2–7.3, joka on hyvin lähellä veren pH:ta. Tulevaisuudessa tällainen kapseli voitaisiin ohjelmoida ja optimoida toimimaan siten, että se avautuisi esimerkiksi vain tietynlaisten syöpäsolujen sisällä, joissa voi olla korkeampi pH kuin normaaleissa terveissä soluissa", sanoo dosentti Veikko Linko Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksessa havaittiin, että kapselit toimivat fysiologisissa magnesium- ja natriumpitoisuuksissa sekä ainakin 10-prosenttisessa veriplasmassa. Tutkijat uskovat, että nämä kaikki edellä kuvaillut tutkimustulokset auttavat kehittämään täysin ohjelmoitavia lääkeainekuljettimia lähitulevaisuudessa.

Tutkimus suoritettiin Aalto-yliopiston professori Mauri Kostiaisen Biohybridimateriaalit-ryhmässä. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon Säätiö sekä Sigrid Juséliuksen Säätiö.

Tulokset on julkaistu artikkelissa ACS Nano -lehdessä 16. huhtikuuta 2019. Linkki artikkeliin: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b01857

Video: https://www.youtube.com/watch?v=1LPIRM9qAQ4&feature=youtu.be

Lisätietoja: 

Tohtorikoulutettava Heini Ijäs, heini.e.ijas@jyu.fi, puh. +358 44 260 5727, bio- ja ympäristötieteiden laitos, Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto

Dosentti Veikko Linko, veikko.linko@aalto.fi,  puh. +358 45 673 9997,  biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Tiedottaja Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, puh. +35850 581 8351

Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta

https://www.jyu.fi/science/en/bioenv/research/biosciences/spectroscopy-for-detecting-dynamics-of-biomolecules

https://www.jyu.fi/science/fi

Facebook: jyuscience Twitter: jyscience