Forscher der Tokyo Metropolitan University haben ein neues Molekül entwickelt, das DNA in biologische Zellen transportiert, um Krankheiten zu behandeln oder dagegen zu impfen. Viele bisherige Methoden basieren auf stark positiv geladenen Molekülen, die schädliche Entzündungen hervorrufen können. Dem Team gelang es, dieses Problem durch die Verwendung eines neutralen Moleküls und einer neuen Methode zur DNA-Bindung zu umgehen und so die DNA in Zellen einzuschleusen. Erfolgreiche Experimente an Mäusen lassen auf neue, wirksamere Therapien hoffen.
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler neue Therapien entwickelt, die genetische Informationen in Zellen einschleusen. Diese Informationen, in Form von DNA und RNA, können entweder dauerhaft in Gene integriert werden („Gentherapie“) oder vorübergehend von den zellulären Proteinproduktionsanlagen genutzt werden, um therapeutische Proteine ??und Moleküle herzustellen. Eine große Herausforderung besteht darin, die DNA oder RNA überhaupt erst in die Zelle zu bringen. Nach der Injektion in den Körper stellt die Zellmembran eine physische Barriere dar, und vor allem müssen die Moleküle intakt in die Zellen gelangen.
Hier kommen Transportvehikel ins Spiel. Anstatt die „nackten“ DNA- oder RNA-Moleküle zu verwenden, können diese in Komplexe eingebettet werden, die leichter von Zellen aufgenommen werden können. Für Plasmid-DNA, kurze DNA-Abschnitte, die für die Produktion weniger Gene kodieren, ist die Verwendung positiv geladener Polymere eine gängige Transportmethode. Da DNA negativ geladen ist, kann sie sich an die positiven Ladungen eines langen Polymers binden und so einen Komplex bilden, der von Zellen aufgenommen werden kann. Dieser Ansatz ist jedoch nicht unproblematisch. Beispielsweise können positiv geladene Moleküle Entzündungen an der Injektionsstelle auslösen. Sie können auch andere negativ geladene Moleküle in ihrer Umgebung anziehen und Aggregate bilden. Im Falle einer intramuskulären Injektion betrifft dies auch die extrazelluläre Matrix des Muskelgewebes.
Um diese Herausforderung zu meistern, synthetisierte ein Team um Professor Shoichiro Asayama von der Tokyo Metropolitan University ein ungeladenes Polymer mit einer „klebrigen“ Thyminbase an seinem Ende – einem der vier Bausteine ??der DNA. Das verwendete Polymer war Polyethylenglykol (PEG), ein im Körper bekanntes „inertes“ Molekül. Die Thyminbase kann jedoch ohne Hilfe nicht an die DNA binden. Hier nutzte das Team ein Verfahren namens „Annealing“. Wird ein Plasmid-DNA-Molekül leicht erwärmt, kann sich der Doppelstrang teilweise entwinden. In Gegenwart dieses Moleküls kann die Thyminbase schwach über Wasserstoffbrückenbindungen an die freigelegte Struktur binden und so einen Komplex zwischen dem neuen Molekül und der DNA bilden.
Durch die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Anzahl der Thymin-PEG-Stränge und der DNA konnte das Team seine Rezeptur optimieren. In Experimenten mit Mäusen zeigten sie erfolgreich, dass ihr Komplex die Aufnahme von DNA in Mauszellen im Vergleich zum „nackten“ DNA-Strang um bis zu das 14-Fache steigerte. Ihr neuer „Einzelnukleobasen-Terminalkomplex (SNTC)“, eine ladungsfreie Verbindung, verspricht, Therapien, die auf der erfolgreichen Übertragung genetischer Informationen beruhen, zu verbessern und ihr Spektrum zu erweitern.
Diese Arbeit wurde durch ein Forschungsstipendium (B) der Japan Society for the Promotion of Science (Fördernummer 21H03820) und das „Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)“ des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT), Fördernummer JPMXP1224 UT0029, unterstützt.
