Hydrożele modyfikowane DNA

DNA ze względu na swoje unikalne właściwości zostało uznane za jeden z wiodących naturalnych polimerów stosowanych szeroko w badaniach biomedycznych. Względna prostota jego struktury, stabilność w warunkach fizjologicznych, biokompatybilność, a także

42

elastyczność i odwracalność zmian strukturalnych zachęciły naukowców do tworzenia nowego typu hydrożeli modyfikowanych tym materiałem genetycznym.

Dotychczas opisano dwie strategie projektowania hydrożeli zawierających DNA jako składową sieci hydrożelu. Jedną z nich jest syntezowanie rozgałęzionych struktur na bazie samego DNA [150]. Drugie podejście polega na przyłączaniu kwasów nukleinowych do hydrofilowych łańcuchów polimerowych oraz użycie DNA jako środka sieciującego hydrożele polimerowe [151].

Synteza hydrożeli składających się z samego DNA zachodzi w oparciu o odziaływania fizyczne, a nie wiązania chemiczne. Hydrożele DNA wytwarzane są jedynie z syntetycznych odcinków DNA. Tworzenie hydrożeli z DNA natywnego było opisywane, jednak wiązało to się z niską stabilnością hydrożeli i brakiem kontroli nad procesem tworzenia hydrożelu.

Wykazano, że pęcznienie oraz właściwości mechaniczne hydrożeli DNA zależą ściśle od stężenia i konformacji form DNA, z którego zostały zbudowane.

Hydrożele supramolekularne składające się wyłącznie z DNA zostały opisane po raz pierwszy przez grupę badawczą Liu [152]. Wykorzystali oni trzy częściowo komplementarne sekwencje tworzące w lekko zasadowym pH strukturę w kształcie litery Y. Składała się ona z dwuniciowej domeny centralnej i trzech ramion pobocznych, jako sekwencji blokujących.

W obniżonym pH struktura ta ulegała samoorganizacji z utworzeniem trójwymiarowej sieci hydrożelu. Badano odwracalność tworzenia się tego typu struktur w różnych warunkach pH.

Niestety hydrożele DNA nie wykazywały zdolności do pęcznienia jak i możliwości skutecznej akumulacji małych cząstek. Związane było to ze sztywnością dwuniciowych struktur DNA i brakiem ich elastyczności. Okazało się, że materiały te nie były zdolne do akumulacji i uwalniania leków.

Inną strategię syntezy obrała grupa Lee, która do wytworzenia hydrożelu DNA zastosowała enzym polimerazę DNA. Najpierw prowadzono namnażanie się DNA w postaci toczącego się koła, a następnie odchodzącego od niego łańcucha bocznego ulegającego zawinięciu z utworzeniem struktury 3D. Otrzymany meta-hydrożel wykazywał właściwości podobne do ciał stałych w obecności wody, natomiast po usunięciu wody przypominał ciecz.

Autorzy zasugerowali możliwości użycia tego typu hydrożeli do terapii komórkowej i uwalniania leków [153].

Powstało wiele prac opisujących rozgałęzione lub koliste formy DNA do wytworzenia hydrożeli DNA [154,155,156]. Jednak nowsze podejście zakłada tworzenie hydrożeli za pomocą liniowego dsDNA wyposażonego w lepkie końce. Wytworzono hydrożele DNA wykonując hybrydyzację dwóch oligomerów O1 i O2 konstruując monomeryczny blok

43

budulcowy dsDNA składający się z 30 par zasad. Wyposażenie tego bloku w komplementarne do siebie lepkie końce powoduje samoorganizację DNA w struktury hydrożelowe. Struktury liniowe syntezowane za pomocą tej metody mogą mieć bardzo wysoką elastyczność. Jednak posiadają niską stabilność ze względu na niekowalencyjne połączenie fizyczne i obecność nacięć w szkielecie cukrowo-fosforanowym po każdej powtarzającej się jednostce ssDNA [157].

Warto podkreślić, że hydrożele na bazie samego DNA wymagają skomplikowanych warunków syntezy oraz zastosowania biologicznych procedur manipulowania materiałem genetycznym. Koszty wytworzenia tego typu hydrożeli są wysokie, dlatego też głównie uwaga zostala skupiona na hydrożelach hybrydowych DNA [151,158]. Tego typu hydrożele zbudowane są na bazie polimerów syntetycznych i modyfikowane oligonukleotydami poprzez chemiczne wiązanie ich do sieci polimerowej. Oligonukleotydy mogą niezależnie współistnieć w sieci polimerowej lub być wykorzystane jako środek sieciujący.

Najszerzej opisywanym polimerem wykorzystywanym do syntezy hybrydowych żeli DNA jest poliakryloamid. Grupa Willner’a szeroko opisywała tego typu układy do potencjalnych zastosowań biomedycznych. W jednej z publikacji zsyntezowali łańcuchy poliakryloamidu i zmodyfikowali je kwasami nukleinowymi oraz mostkami cytozynowymi.

Ugrupowania cytozyny zdolne były do przyłączania jonów srebra i tworzenia koniugatów, a więc po dodaniu jonów Ag⁺ powstawały usieciowane hydrożele. Po usunięciu jonów srebra z sieci hydrożelu za pomocą cysteaminy następowało przejście fazowe do postaci zolu [159].

Ważnym trendem w układach polimerowych modyfikowanych materiałem genetycznym jest wykorzystanie komplementarności zasad do konstrukcji hydrożeli czułych na konkretne sekwencje DNA. Koncepcja konstrukcji tego typu układów polega na przyłączeniu nici sygnałowej/analitu do nici obecnej w sieci hydrożelu i uzyskanie przejścia typu zol- żel. Układ taki połączono dodatkowo z aptamerem wiążącym trombinę i tworzącym w jej obecności układy typu kwadrupleks. Po uwolnieniu nici DNA, rozluźnieniu ulegała struktura wewnętrzna hydrożelu i następowało uwolnienie zawartych w niej substancji. Proces ten był całkowicie odwracalny; po ponownym dodaniu nici DNA następowało sieciowanie i zacieśnienie struktury żelu. Wykonane badania wykazały wysoki potencjał zastosowania tego typu żeli, jako materiału przełącznikowego użytecznego w systemach dostarczania leków [160].

Innym przykładem wykorzystania DNA było jego zastosowanie do sieciowania żelu na bazie poliakryloamidu służącego do selektywnego wiązania adenozyny. W tym celu odpowiednie sekwencje DNA zmodyfikowane aptamerem mającym powinowactwo do

44

wychwytywanej substancji przyłączono do cząsteczek adenozyny. Kolejno powstałe hybrydy zostały przyłączone do hydrożelu zmodyfikowanego odpowiednimi sekwencjami DNA.

W celu ich uwolnienia przyłączona zostaje nić komplementarna do nici łącznika, co powoduje rozluźnienie łańcuchów i w konsekwencji uwolnienie substancji wychwytywanej [161].

Różnice pomiędzy właściwościami pojedynczych oraz podwójnych nici DNA stały się podstawą do konstruowania hydrożeli czułych na DNA. Jak wiadomo ssDNA jest bardziej elastyczny niż dsDNA. Natomiast dsDNA posiada znacznie większą trwałość i odporność mechaniczną. Zmiany konformacyjne związane z przyłączeniem komplementarnej nici mogą indukować objętościowe przejście fazowe hydrożelu. Zsyntezowano hydrożele na bazie poliakryloamidu zawierające pojedyncze odcinki DNA w roli środka sieciującego. Dodanie poszczególnych komplementarnych oligonukleotydów powodowało skurczenie bądź pęcznienie hybrydowego hydrożelu w zależności od ilości dodanej sekwencji [162,163].