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

All'interno del corpo umano, il rivestimento di ogni vaso sanguigno non è una parete liscia e nuda. È rivestito da uno strato spesso e simile a un gel, composto da catene di zucchero e proteine, noto come glicocalice. Pensate a questo strato come a una fitta foresta protettiva che cresce proprio sulla superficie delle cellule. Questa foresta è vitale per la salute; aiuta a regolare il flusso sanguigno e impedisce alle pareti dei vasi di reagire a ogni particella che passa. Tuttavia, per gli scienziati che cercano di trasportare farmaci o strumenti diagnostici alla parete del vaso, questa foresta rappresenta un ostacolo formidabile. Le particelle minuscole convenzionali, indipendentemente da quanto siano piccole o chimicamente calibrate, spesso rimangono intrappolate tra i rami esterni di questa foresta di zuccheri. Non riescono a raggiungere i recettori specifici sulla superficie cellulare sottostante, che sono i bersagli previsti per trattare l'infiammazione o rilevare precocemente le malattie.

Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a un tipo unico di struttura microscopica chiamata origami del DNA. Proprio come la carta può essere piegata in forme complesse, lunghi filamenti di DNA possono essere programmati per ripiegarsi in strutture precise e rigide. Progettando queste strutture con forme specifiche, gli scienziati possono posizionare le molecole esattamente dove necessario. In un recente studio pilota, i ricercatori si sono posti una domanda semplice ma profonda: se una nanoparticella ha un braccio lungo e rigido che sporge da essa, posizionare una molecola di targeting sulla punta di quel braccio permetterà di attraversare meglio la foresta di zucchero rispetto al posizionare la stessa molecola direttamente sul corpo principale della particella?

Il team, lavorando con le cellule di un singolo donatore, ha costruito una piattaforma microscopica a forma di L. La base della L era una piattaforma piatta e, da essa, si estendeva un singolo braccio rigido fatto di filamenti di DNA intrecciati. Hanno creato due versioni di questo dispositivo. Nella prima versione, hanno attaccato un anticorpo — una proteina che cerca un marcatore specifico chiamato ICAM-1 — proprio sulla punta del lungo braccio. Nella seconda versione, che fungeva da controllo, hanno attaccato lo stesso identico anticorpo alla base piatta della L. Entrambi i dispositivi sono stati rivestiti con uno strato protettivo per evitare che aderissero a cose sbagliate, e entrambi sono stati caricati con un colorante fluorescente affinché i ricercatori potessero tracciarli.

Questi dispositivi sono stati poi introdotti in un modello di laboratorio di un minuscolo vaso sanguigno umano, che era rivestito da cellule viventi. I ricercatori hanno testato i dispositivi in diverse condizioni. In alcuni casi, hanno lasciato le cellule in uno stato calmo e sano. In altri, hanno trattato le cellule con un segnale chimico che imita l'infiammazione nelle prime fasi, il che causa un leggero assottigliamento della foresta di zucchero e rende più abbondanti i marcatori bersaglio. Il modello del vaso sanguigno è stato mantenuto in movimento per simulare il naturale flusso del sangue, e i ricercatori hanno osservato quanto bene le due diverse versioni del dispositivo riuscissero ad agganciarsi ai marcatori bersaglio sulla superficie cellulare.

I risultati hanno mostrato un chiaro vantaggio per il design con il braccio esteso. Quando le cellule erano in uno stato sano e basale con una foresta di zucchero completa, il dispositivo con l'anticorpo sulla punta del braccio trovava i marcatori bersaglio circa cinque volte più spesso rispetto al dispositivo con l'anticorpo sulla base piatta. Anche quando le cellule erano in uno stato di infiammazione precoce, dove la foresta di zucchero era leggermente più sottile, l'anticorpo posto sulla punta si è comunque comportato circa due volte meglio di quello posto sulla base. La differenza non era solo una questione di quanto si attaccasse alle cellule; era anche una questione di velocità. Il dispositivo con l'anticorpo sulla punta raggiungeva il suo bersaglio rapidamente, mentre il dispositivo con l'anticorore sulla base impiegava molto più tempo per raggiungere un livello di legame simile, suggerendo che stesse facendo fatica a spingersi attraverso la barriera.

I ricercatori hanno notato che questo effetto accadeva nonostante le dimensioni totali dei due dispositivi fossero le stesse e trasportassero la stessa quantità di anticorpo. L'unica differenza era la posizione dell'anticorpo. Ciò suggerisce che il braccio rigido agisca come un ponte, permettendo all'anticorpo di estendersi oltre gli strati esterni della foresta di zucchero e toccare direttamente la superficie cellulare, mentre l'anticorpo sulla base piatta rimane intrappolato tra i rami esterni. Lo studio è stato un esperimento pilota utilizzando cellule di un singolo donatore, quindi i risultati sono una forte prova iniziale di concetto piuttosto che una conclusione definitiva per tutti gli esseri umani. Tuttavia, i dati indicano chiaramente che la forma di una nanoparticella e il posizionamento preciso dei suoi strumenti di targeting sono fattori critici. Spostando la molecola di targeting dal corpo della particella alla fine di una protuberanza rigida, gli scienziati potrebbero aver trovato un modo per aggirare le difese naturali dei vasi sanguigni, aprendo una nuova strada per la consegna di farmaci e diagnostica in luoghi che prima erano fuori portata.