Protrusion-tip antibody placement on a DNA origami nanoparticle enhances endothelial ICAM-1 targeting through glycocalyx: a single-donor microphysiological pilot study

Im Inneren des menschlichen Körpers ist die Auskleidung jedes Blutgefäßes keine glatte, nackte Wand. Sie ist mit einer dicken, gelartigen Schicht aus Zucker-Protein-Ketten überzogen, die als Glykokalyx bekannt ist. Man kann sich diese Schicht wie einen dichten, schützenden Wald vorstellen, der direkt auf der Oberfläche der Zellen wächst. Dieser Wald ist lebenswichtig für die Gesundheit; er hilft dabei, den Blutfluss zu regulieren und verhindert, dass die Gefäßwände auf jedes vorbeiziehende Teilchen reagieren. Für Wissenschaftler, die jedoch versuchen, Medikamente oder diagnostische Werkzeuge an die Gefäßwand zu liefern, stellt dieser Wald ein gewaltiges Hindernis dar. Konventionelle winzige Partikel bleiben, egal wie klein oder chemisch angepasst sie sind, oft in den äußeren Zweigen dieses Zuckerwaldes stecken. Sie können die spezifischen Rezeptoren auf der Zelloberfläche darunter nicht erreichen, welche die eigentlichen Zielobjekte für die Behandlung von Entzündungen oder die Früherkennung von Krankheiten sind.

Um dieses Problem zu lösen, haben sich Forscher einer einzigartigen Art mikroskopischer Strukturen zugewandt, dem DNA-Origami. Genau wie Papier zu komplexen Formen gefaltet werden kann, lassen sich lange DNA-Stränge zu präzisen, starren Strukturen programmieren. Durch das Entwerfen dieser Strukturen mit spezifischen Formen können Wissenschaftler Moleküle exakt dort positionieren, wo sie benötigt werden. In einer kürzlich durchgeführten Pilotstudie stellten Forscher eine einfache, aber tiefgreifende Frage: Wenn ein Nanopartikel einen langen, steifen Arm besitzt, der aus ihm herausragt, ermöglicht die Platzierung eines Zielmoleküls an der Spitze dieses Arms es, den Zuckerwald besser zu durchdringen, als wenn dasselbe Molekül direkt am Hauptkörper des Partikels befestigt wäre?

Das Team, das mit den Zellen eines einzelnen Spenders arbeitete, baute eine mikroskopische Plattform in Form eines „L“. Die Basis des „L“ war eine flache Plattform, und von ihr aus erstreckte sich ein einzelner, starrer Arm aus gebündelten DNA-Strängen. Sie erstellten zwei Versionen dieses Geräts. In der ersten Version befestigten sie einen Antikörper – ein Protein, das nach einem spezifischen Marker namens ICAM-1 sucht – an der Spitze des langen Arms. In der zweiten Version, die als Kontrolle diente, befestigten sie denselben Antikörper an der flachen Basis des „L“. Beide Geräte wurden mit einer Schutzschicht überzogen, um ein Anhaften an falsche Strukturen zu verhindern, und beide wurden mit einem leuchtenden Farbstoff beladen, damit die Forscher sie verfolgen konnten.

Diese Geräte wurden daraufhin in ein Labormodell eines winzigen menschlichen Blutgefäßes eingeführt, das mit lebenden Zellen ausgekleidet war. Die Forscher testeten die Geräte unter verschiedenen Bedingungen. In einigen Fällen ließen sie die Zellen in einem ruhigen, gesunden Zustand. In anderen Fällen behandelten sie die Zellen mit einem chemischen Signal, das eine frühe Phase der Entzündung simuliert, wodurch sich der Zuckerwald leicht verdünnt und die Zielmarker zahlreicher werden. Das Blutgefäßmodell wurde in Bewegung gehalten, um den natürlichen Blutfluss zu simulieren, und die Forscher beobachteten, wie gut die zwei verschiedenen Versionen des Geräts an den Zielmarkern auf der Zelloberfläche greifen konnten.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Vorteil für das Design mit dem verlängerten Arm. Wenn sich die Zellen in einem gesunden Basiszustand mit einem vollen Zuckerwald befanden, fand das Gerät mit dem Antikörper an der Spitze des Arms die Zielmarker etwa fünfmal häufiger als das Gerät mit dem Antikörper auf der flachen Basis. Selbst als die Zellen in einem frühen Entzündungszustand waren, in dem der Zuckerwald etwas dünner war, funktionierte der an der Spitze platzierte Antikörper immer noch etwa doppelt so gut wie der an der Basis platzierte. Der Unterschied lag nicht nur darin, wie viel an den Zellen haftete; es war auch eine Frage der Geschwindigkeit. Das an der Spitze platzierte Gerät erreichte sein Ziel schnell, während das an der Basis platzierte Gerät viel länger brauchte, um ein ähnliches Bindungsniveau zu erreichen, was darauf hindeutete, dass es Schwierigkeiten hatte, die Barriere zu durchbrechen.

Die Forscher stellten fest, dass dieser Effekt auftrat, obwohl die Gesamtgröße der beiden Geräte identisch war und sie die gleiche Menge an Antikörpern trugen. Der einzige Unterschied bestand darin, wo der Antikörper lokalisiert war. Dies deutet darauf hin, dass der starre Arm wie eine Brücke wirkt, die es dem Antikörper ermöglicht, über die äußeren Schichten des Zuckerwaldes hinaus zu reichen und die Zelloberfläche direkt zu berühren, während der Antikörper an der flachen Basis in den äußeren Zweigen gefangen bleibt. Die Studie war ein Pilotexperiment unter Verwendung von Zellen eines einzelnen Spenders, weshalb die Ergebnisse eher ein starker erster Beleg für das Konzept (Proof of Concept) als ein endgültiger Schluss für alle Menschen sind. Die Daten zeigen jedoch deutlich, dass die Form eines Nanopartikels und die präzise Platzierung seiner Zielwerkzeuge entscheidende Faktoren sind. Indem Wissenschaftler das Zielmolekül vom Körper des Partikels zum Ende eines starren Vorsprungs verlagern, könnten sie einen Weg gefunden haben, die natürlichen Abwehrmechanismen der Blutgefäße zu umgehen und so einen neuen Pfad für die Verabreichung von Medikamenten und Diagnostika an Orte zu eröffnen, die zuvor unerreichbar waren.