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

Binnen het menselijk lichaam is de voering van elk bloedvat geen gladde, kale wand. Het is bedekt met een dikke, gelachtige laag gemaakt van suiker-eiwitketens, bekend als de glycocalyx. Denk aan deze laag als een dicht, beschermend bos dat direct op het oppervlak van de cellen groeit. Dit bos is essentieel voor de gezondheid; het helpt de bloedstroom te reguleren en voorkomt dat de vaatwanden op elk voorbijgaand deeltje reageren. Echter, voor wetenschappers die probeert medicijnen of diagnostische instrumenten naar de vaatwand te leveren, is dit bos een vormidabel obstakel. Conventionele minuscule deeltjes, ongeacht hoe klein of chemisch afgestemd ze zijn, blijven vaak steken in de buitenste takken van dit suikerbos. Ze kunnen de specifieke receptoren op het celoppervlak eronder niet bereiken, wat de beoogde doelwitten zijn voor het behandelen van ontstekingen of het vroegtijdig detecteren van ziekten.

Om dit probleem op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op een uniek type microscopische structuur genaamd DNA-origami. Net zoals papier gevouwen kan worden in complexe vormen, kunnen lange strengen DNA worden geprogrammeerd om te vouwen tot precieze, rigide structuren. Door deze structuren met specifieke vormen te ontwerpen, kunnen wetenschappers moleculen precies plaatsen waar ze nodig zijn. In een recente pilotstudie stelden onderzoekers een eenvoudige maar diepgaande vraag: als een nanopartikel een lange, stijve arm heeft die uitsteekt, zal het plaatsen van een doelwitmolecuul aan het uiterste puntje van die arm ervoor zorgen dat het de suikerbos beter kan doordringen dan wanneer datzelfde molecuul direct op het hoofdlichaam van het deeltje zou zitten?

Het team, dat werkte met cellen van een enkele donor, bouwde een microscopisch platform in de vorm van een L. De basis van de L was een plat platform, en uit deze stak een enkele, rigide arm gemaakt van gebundelde DNA-strengen. Ze creëerden twee versies van dit apparaat. In de eerste versie bevestigden ze een antilichaam — een eiwit dat op zoek gaat naar een specifiek marker genaamd ICAM-1 — aan het uiterste puntje van de lange arm. In de tweede versie, die diende als controle, bevestigden ze exact hetzelfde antilichaam aan de platte basis van de L. Beide apparaten werden bedekt met een beschermende laag om te voorkomen dat ze aan de verkeerde dingen zouden blijven plakken, en beide werden geladen met een lichtgevende kleurstof zodat de onderzoekers ze konden volgen.

Deze apparaten werden vervolgens geïntroduceerd in een laboratoriummodel van een minuscuul menselijk bloedvat, dat bekleed was met levende cellen. De onderzoekers testten de apparaten onder verschillende omstandigheden. In sommige gevallen lieten ze de cellen in een rustige, gezonde staat. In andere gevallen behandelden ze de cellen met een chemisch signaal dat vroege ontstekingen nabootst, wat ervoor zorgt dat het suikerbos iets dunner wordt en de doelwitmarkers talrijker worden. Het bloedvatmodel werd in beweging gehouden om de natuurlijke bloedstroom te simuleren, en de onderzoekers observeerden hoe goed de twee verschillende versies van het apparaat zich konden vastklampen aan de doelwitmarkers op het celoppervlak.

De resultaten toonden een duidelijk voordeel voor het ontwerp met de uitgestrekte arm. Wanneer de cellen in een gezonde, basistoestand waren met een vol suikerbos, vond het apparaat met het antilichaam aan de punt van de arm de doelwitmarkers ongeveer vijf keer vaker dan het apparaat met het antilichaam op de platte basis. Zelfs toen de cellen in een vroege staat van ontsteking waren, waarbij het suikerbos iets dunner was, presteerde het met de punt geplaatste antilichaam nog steeds ongeveer twee keer zo goed als het op de basis geplaatste antilichaam. Het verschil was niet alleen een kwestie van hoeveel vastzat aan de cellen; het was ook een kwestie van snelheid. Het met de punt geplaatste apparaat bereikte zijn doel snel, terwijl het op de basis geplaatste apparaat veel langer nodig had om een vergelijkbaar niveau van binding te bereiken, wat suggereerde dat het moeite had om door de barrière te duwen.

De onderzoekers merkten op dat dit effect optrad, ook al was de totale grootte van de twee apparaten gelijk en droegen ze evenveel antilichamen. Het enige verschil was de locatie van het antilichaam. Dit suggereert dat de rigide arm fungeert als een brug, waardoor het antilichaam voorbij de buitenste lagen van het suikerbos kan reiken en direct contact kan maken met het celoppervlak, terwijl het antilichaam op de platte basis in de buitenste takken gevangen blijft. De studie was een pilotexperiment gebruikmakend van cellen van een enkele donor, dus de bevindingen zijn een sterk initiële bewijs van concept (proof of concept) in plaats van een definitieve conclusie voor alle mensen. De gegevens geven echter duidelijk aan dat de vorm van een nanopartikel en de precieze plaatsing van de doelwitinstrumenten cruciale factoren zijn. Door het doelwitmolecuul van het lichaam van het deeltje naar het uiteinde van een rigide uitsteeksel te verplaatsen, hebben wetenschappers mogelijk een manier gevonden om de natuurlijke verdediging van bloedvaten te omzeilen, wat een nieuwe weg opent voor de levering van medicijnen en diagnostiek naar plaatsen die voorheen buiten bereik waren.