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Il DNA si ripiega in una nanocapsula intelligente per la somministrazione di farmaci

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Ricercatori dell'Università di Jyväskylä e dell'Università di Aalto in Finlandia hanno sviluppato una nanostruttura di DNA personalizzata che può eseguire un compito predefinito in condizioni simili a quelle del corpo umano. Per fare ciò, il team ha costruito un vettore simile a una capsula che si apre e si chiude in base al livello di pH della soluzione circostante. La nanocapsula può essere caricata - o imballata - con una varietà di carico, chiusa per la consegna e riaperta attraverso un sottile aumento del pH.

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La funzione della nanocapsula di DNA si basa su residui di DNA a pH reattivo.

Per fare in modo che questo accada, il team ha progettato una struttura di origami del DNA a forma di capsula funzionalizzata con fili di DNA a risposta pH. Questi nanodesign dinamici del DNA sono spesso controllati dal semplice legame idrogeno di due sequenze di DNA complementari. Qui, una metà della capsula era dotata di specifici domini di DNA a doppio filamento che potevano ulteriormente formare una tripla elica del DNA, vale a dire una struttura elicoidale composta da tre, non solo due molecole di DNA, attaccandosi a un adeguato DNA a singolo filamento nell'altra metà.

"La formazione di triplex può avvenire solo quando il pH circostante della soluzione è giusto. Questi trefoli a risposta al pH vengono chiamati "fermi pH", perché quando interagiscono tra loro, funzionano in modo simile alle loro controparti macroscopiche e bloccano la capsula in uno stato chiuso. Abbiamo inserito molteplici motivi nel nostro design della capsula per facilitare l'apertura/chiusura della capsula in base al comportamento cooperativo delle chiusure. L'apertura della capsula è in realtà molto rapida e richiede solo un leggero aumento del pH nella soluzione", spiega il primo autore dello studio, il dottorando Heini Ijäs del Nanoscience Center dell'Università di Jyvaskyla.

Le nanoparticelle e gli enzimi potrebbero essere caricati e incapsulati all'interno delle capsule

Per sfruttare le nanocapsule per il trasporto di carichi utili molecolari o sostanze terapeutiche, il team ha progettato la capsula con una cavità che potrebbe ospitare materiali diversi. Hanno dimostrato che sia le nanoparticelle d'oro che gli enzimi possono essere caricati (pH elevato) e incapsulati all'interno delle capsule (pH basso) e visualizzati nuovamente (pH alto). Monitorando l'attività enzimatica, i ricercatori hanno scoperto che il carico è rimasto pienamente funzionale nel corso del processo.

"La cosa più intrigante delle capsule di origami del DNA è che la soglia pH alla quale avvengono l'apertura e la chiusura è completamente regolabile selezionando le sequenze di base delle chiusure a pH. Abbiamo progettato il pH di soglia per essere 7,2-7,3, vicino al pH del sangue. In futuro, questo tipo di vettore di droga potrebbe essere ottimizzato per aprire selettivamente all'interno di specifiche cellule tumorali, che possono mantenere un pH superiore a quelli sani normali," dice Veikko Linko, professore a contratto presso l'Università di Aalto.

Inoltre, le capsule sono rimaste funzionali a concentrazioni fisiologiche di magnesio e sodio, e nel plasma sanguigno del 10%, e possono continuare a farlo anche a concentrazioni plasmatiche più elevate. Insieme, questi risultati contribuiscono a spianare la strada allo sviluppo di veicoli intelligenti e completamente programmabili per la fornitura di farmaci per la nanomedicina.