Химики создали «умные» наночастицы для улучшения доставки лекарств и самосборки ДНК
Химики из Колледжа искусств и наук Сиракузского университета использовали термочувствительный полимер для управления взаимодействиями ДНК в двух системах: для опосредованной ДНК сборки и для доставки лекарств с ДНК-кодированием.
Их исследование, проведённое под руководством доцента Мэтью М. Майе и аспирантов Кристен Хамнер и Коллин Александр, может улучшить процесс самосборки наноматериалов в функциональные устройства и доставку противораковых препаратов, таких как доксорубицин. Подробности опубликованы 30 июля в журнале ACS Nano.
Самосборка наночастиц — область нанонауки, связывающая оптику, химические сенсоры и доставку лекарств. В этом процессе химические связи на поверхности частиц запускают реакцию, в результате которой частицы объединяются, образуя твёрдые структуры, цепи или кластеры.
Майе и его коллеги ранее разработали метод использования ДНК-связей для создания различных структур. Эти реакции быстры и стабильны, но их сложно контролировать.
«Например, мы хотим включать и выключать реакцию, не внося сложных изменений в процедуру, — говорит Майе. — Мы решаем эту проблему, используя тепловой триггер в виде "умного" полимера, который меняет свою структуру на наноуровне».
«Умный» полимер — это большая молекула, состоящая из множества атомных единиц, которая меняет структуру под воздействием внешних стимулов, таких как свет, кислотность или температура.
Команда синтезировала полимер, который не только реагирует на температуру, но и может быть присоединён к золотой наночастице. Новизна подхода в том, что наночастица также содержит короткие сегменты одноцепочечной ДНК.
«Эта многофункциональность и добавленный "умный" компонент показывают направление развития нанонауки, — говорит Майе. — Мы хотим, чтобы наноматериалы выполняли несколько задач одновременно, и чтобы мы могли дистанционно включать и выключать их взаимодействия».
Система устроена так, что при высокой температуре (например, 50 °C) нити полимера сжимаются, обнажая ДНК и делая её активной, а при низкой температуре — растягиваются, блокируя её свойства распознавания.
В одном эксперименте самосборка между комплементарными ДНК-наночастицами происходила только при высокой температуре. В другом исследовании команда обнаружила, что нагрев запускает высвобождение доксорубицина из ДНК-оболочки кодированного наноносителя.
Этот наноноситель, недавно изобретённый Майе и его коллегами, демонстрирует шестикратное увеличение токсичности по сравнению с аналогами из предыдущих исследований.
«Новизна этого подхода в том, что межчастичные связи являются динамическими и переконфигурируемыми, — говорит Майе. — Такая переконфигурация может привести к созданию "умных" твёрдых материалов и метаматериалов, реагирующих на внешние стимулы, подобно тому как это делают объёмные "умные" полимеры».
Для понимания механизмов работы системы команда использовала передовые методы, включая динамическое светорассеяние и малоугловое рентгеновское рассеяние.
«Возможность контролировать сборку наночастиц с помощью температуры позволяет нам точно настраивать их реакции и формировать более предсказуемые структуры. Это также даёт нам более совершенную систему для масштабирования сборки», — объясняет Майе.
По его словам, ДНК-кодированные наночастицы являются отличной платформой для доставки лекарств: «В сочетании с термочувствительными полимерами, такими как в нашей системе, они могут стать очень перспективными».