Immune response of surface modified DNA nanostructures

Abstract

DNA nanotechnology has seen remarkable growth during the past decade. The exceptionally predictable self-assembly of DNA makes it an ingenious building block. Especially after the establishment of DNA origami, a vast array of DNA nanoapplications have emerged spanning multiple fields from nanoelectronics to biomimetic applications.

DNA origami-based nanostructures have shown particularly great promise in biomedical applications. However, these applications still suffer from low stability in biological environments, and poor transfection rates. Additionally, biocompatibility is crucial. Although DNA is inherently biocompatible, any foreign DNA is seen as a threat and typically induces an immune response. This immune activation can result in treatment failure or significant side-effects.

In this work, two kinds of surface-modifications are applied on a model DNA origami structure in order to achieve improved stability, reduce the immunogenic effect of bare DNA, as well as to synthesize functional nanostructures. The achieved structures were characterized with electrophoretic mobility shift assays, transmission electron microscopy and ultraviolet-visible spectroscopy. The immunogenicity was assessed by measuring the IL-6 secretion induced in primary murine splenocytes.

First, DNA origami structures were surface-modified with bovine serum albumin, which has been used to reduce unwanted immune response. As anticipated, the BSA-G2 protein-dendron coating successfully attenuated the immunogenic effect of bare DNA origami. Additionally, DNA origami was utilized to create ordered phthalocyanine structures, in order to achieve enhanced optical properties by reducing the aggregation tendencies of phthalocyanines. These DNA complexes could potentially be utilized to produce functional nanostructures for imaging, therapeutic applications and drug delivery.

DNA-nanoteknologia on kasvanut kiihtyvällä tahdilla viime vuosikymmenen aikana. Erityisesti DNA-origami-tekniikan siivittämänä alalla on kehitetty valtava määrä erilaisia sovelluksia nanoelektroniikasta biomimeettisiin sovelluksiin.

DNA-origami-pohjaiset nanorakenteet ovat erityisen lupaavia biolääketieteen sovelluksissa. Ongelmana on kuitenkin ollut rakenteiden pysyvyys biologisissa olosuhteissa, sekä heikko kuljetus soluihin. Lisäksi biolääketieteen sovelluksille kriittistä on bioyhteensopivuus. Vaikka DNA onkin luonnostaan bioyhteensopiva molekyyli, organismit tunnistavat vieraan DNA:n uhkaksi, ja se aiheuttaakin tyypillisesti immuunivasteen. Immuunipuolustusaktivaatio voi johtaa hoidon epäonnistumiseen tai vakaviin sivuvaikutuksiin.

Tässä työssä tutkitaan DNA-origami-mallirakenteen kahdenlaista pintamuokkausta mahdollisina vaihtoehtoina rakenteellisen pysyvyyden parantamiseen, paljaiden DNA-rakenteiden immuunivasteen alentamiseen ja funktionaalisten nanorakenteiden kehittämiseen. Kehitetyt rakenteet karakterisoitiin geelielektroforeesilla, läpäisyelektronimikroskopialla sekä ultravioletti- ja näkyvän valon spektroskopialla. Lisäksi rakenteiden aiheuttamaa immunivastetta arvioitiin mittaamalla niiden aikaansaamaa IL-6 tuotantoa hiiren primäärisissä pernasoluissa.

Ensimmäiseksi DNA-origamirakenteita pintamuokattiin nautaeläinten seerumialbumiinilla, jota on käytetty immuunivasteen alentamiseen. BSA-G2 proteiini-dendroni-kompleksi odotetusti vähensi pinnoittamattoman DNA-origamin aiheuttamaa immuunivastetta. Lisäksi DNA-origamia käytettiin matriisipolymeerinä, jolla pyrittiin parantamaan ftalosyaaninien optisia ominaisuuksia estämällä niiden luonnollista aggregaatiota. Näitä origami-komplekseja voitaisiin käyttää funktionaalisina nanorakenteina kuvantamiseen, terapeuttisiin sovelluksiin ja lääkekuljetukseen.