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四面体DNAナノ構造体をベースとした多機能複合体の設計、作製、およびドラッグデリバリーおよび生物医学的治療への応用
Design, fabrication and applications of tetrahedral DNA nanostructure-based multifunctional complexes in drug delivery and biomedical treatment.
PMID: 32669637 DOI: 10.1038/s41596-020-0355-z.
抄録
有機ナノ材料や無機ナノ粒子は、固有の柔軟性を持ち、機能修飾を容易にし、細胞内への取り込みを増加させ、薬物放出を制御することができますが、その基礎となる細胞毒性と特異性の欠如は、依然として安全性についての懸念を引き起こしています。自然な生体適合性、構造安定性、卓越したプログラミング性、内部化の容易さ、編集可能な機能性などの利点のために、四面体DNAナノ構造体は、薬物送達および生物医学的治療のための代替手段として有望な可能性を示しています。ここでは、自己組織化四面体DNAナノ構造体（TDN）をベースとした多機能デリバリーシステムの設計、製造、精製、特性評価、および潜在的な生物医学的応用について説明します。まず、ワトソン-クリック塩基対を利用して、4本の単一DNA鎖が1回のハイブリダイゼーションステップを経て、シンプルで典型的なピラミッド構造を形成する。その後、プロトコルは、単一のDNA鎖の短い配列をアンチセンスペプチド核酸で置き換えること、頂点にアプタマーを追加すること、パクリタキセルやウォゴニンなどの低分子薬物との直接インキュベーション、およびカチオンポリマーなどの保護剤でコーティングすることを含む4つの異なる修飾アプローチを詳述しています。これらの修飾TDNベースの複合体は、送達された分子の細胞内取り込みと生物学的安定性を促進し、標的治療、抗菌・抗がん剤治療、組織再生の分野で有望視されています。組み立てと特性評価に要する時間は、カーゴの種類と修飾方法に依存し、2時間から3日程度である。
Although organic nanomaterials and inorganic nanoparticles possess inherent flexibility, facilitating functional modification, increased intracellular uptake and controllable drug release, their underlying cytotoxicity and lack of specificity still cause safety concerns. Owing to their merits, which include natural biocompatibility, structural stability, unsurpassed programmability, ease of internalization and editable functionality, tetrahedral DNA nanostructures show promising potential as an alternative vehicle for drug delivery and biomedical treatment. Here, we describe the design, fabrication, purification, characterization and potential biomedical applications of a self-assembling tetrahedral DNA nanostructure (TDN)-based multifunctional delivery system. First, relying on Watson-Crick base pairing, four single DNA strands form a simple and typical pyramid structure via one hybridization step. Then, the protocol details four different modification approaches, including replacing a short sequence of a single DNA strand by an antisense peptide nucleic acid, appending an aptamer to the vertex, direct incubation with small-molecular-weight drugs such as paclitaxel and wogonin and coating with protective agents such as cationic polymers. These modified TDN-based complexes promote the intracellular uptake and biostability of the delivered molecules, and show promise in the fields of targeted therapy, antibacterial and anticancer treatment and tissue regeneration. The entire duration of assembly and characterization depends on the cargo type and modification method, which takes from 2 h to 3 d.