Vědci z Laboratoře biofyziky Fyzikálního ústavu AV ČR pod vedením Olega Lunova po 2,5 letech intenzivní práce představili průlomovou platformu na bázi DNA nanostruktur, která umožňuje cíleně ovlivňovat funkce lyzozomů v buňkách. Tento výzkum otevírá nové možnosti pro vývoj pokročilých terapeutických metod, které by v budoucnu mohly najít uplatnění například při léčbě rakoviny, neurodegenerativních a autoimunitních onemocnění. Výsledky výzkumu, na kterém pracovali společně s kolegy z Arizona State University, Institutu klinické a experimentální medicíny, Ústavu experimentální medicíny AV ČR a Fyziologického ústavu AV ČR, publikoval prestižní časopis Chemical Engineering Journal.
DNA nanotechnologie se rychle rozvíjí a nabízí nové nástroje pro biomedicínu. DNA nanotechnologiím se intenzivně věnují týmy po celém světě. Proč by zrovna nanotechnologie na bázi DNA nukleotidů, základních stavebních kamenů genetické informace, měla být lepší než dnes již v klinické praxi používané technologie? Dosud žádný jiný biologický materiál nenabízí tolik kladných vlastností využitelných pro design nových léčiv, jako právě DNA. S drobnou nadsázkou lze říci, že je snadné takové nanostruktury navrhnout do téměř jakéhokoliv tvaru a relativně jednoduchá je také jejich chemická syntéza. Další nespornou výhodou je, že jsou zároveň pro organismus netoxické a degradovatelné.
Pojem „lyzozom“ je všeobecně známý. Asi každý z nás si vybaví minimálně poučku ze střední školy, že to je něco jako buněčný žaludek. Tam se tráví všechno, co buňka pozře. Správně! Ale nejenom to!
Dnes jsou známé i další neméně důležité funkce lyzozomů pro správné fungování organismu a udržování jeho homeostázy. Zároveň, jsou popsány také jevy a choroby, které lyzozomy ovlivňují, nefungují-li tak, jak by měly. Můžeme zmínit například chování rakovinných buněk, účast při regulaci buněčné smrti; metabolické, autoimunitní a zánětlivé poruchy nebo dokonce více než 50 dědičných onemocnění, které jsou s nesprávnou funkcí lyzozomů úzce spojeny.
Výzkum týmu Laboratoře biofyziky se zaměřil na využití DNA nanostruktur (DNs) k ovlivňování právě lyzozomů. V týmu z Arizona State University jsou experti v oblasti syntézy a charakterizace vysoce stabilních DNA nanostruktur a vědkyně a vědci z FZÚ (ve spolupráci s IKEM a BIOCEV) navrhli univerzální platformu, která může modulovat různé buněčné funkce v závislosti na koncentraci a povrchové úpravě nanostruktur.
„Jednou z hlavních výzev výzkumu bylo navrhnout platformu, která by dokázala efektivně cílit na lyzozomy a ovlivňovat jejich funkce bez nežádoucí toxicity. DNA nanostruktury, které jsme vyvinuli, dokáží modulovat řadu buněčných funkcí podle potřeby, což znamená velký pokrok v oblasti biomedicíny,“ uvedla Petra Elblová, první autorka publikované práce a doktorandka Laboratoře biofyziky.
„Využili jsme inovativní přístup k cílení na lyzozomální funkce, známý jako lyzozomální interference. Tato metoda byla nedávno objevena prostřednictvím použití samoskládajících se DNA nanostruktur. My jsme však využili biodegradabilní nosiče založené na DNA nanostrukturách k dodávání funkčních peptidů do lyzozomů, což vedlo k možnosti kontrolované manipulace buněčných funkcí prostřednictvím lyzozomální interference,“ dodal Oleg Lunov, vedoucí Laboratoře Biofyziky.
Výše zmiňujeme, že DNA nanostruktury jsou netoxické a degradovatelné. Jak je tedy možné jimi modulovat lyzozomální aktivitu? DNA nanostruktury byly povrchově upraveny pokrytím relativně krátkými peptidy – dekalysinem a aureinem.
Použitím peptidů pro povrchovou úpravu nanostruktur tedy vědecký tým dokázal cíleně modulovat aktivitu lyzozomů, což se projevilo například změnami buněčné morfologie, regulací imunitních signálů a buněčné smrti. Nízké koncentrace nanostruktur potažených peptidem decalysinem (K10) zvyšovaly kyselost lyzozomů, čímž ovlivňovaly metabolickou aktivitu buněk. Naopak nanostruktury s peptidem aureinem (EE) podnítily alkalizaci lyzozomů a aktivaci imunitních signálních drah. Vysoké koncentrace K10 způsobovaly zvětšení lyzozomů a změny tvaru buněk bez jejich usmrcení, zatímco vysoké koncentrace aureinových nanostruktur vedly k prasknutí lyzozomů a poškození mitochondrií, což vyústilo v buněčnou smrt.
Syntéza a stabilita DNA nanostruktur
Základem úspěchu při ovlivňování funkce a chování lyzozomů jsou velmi malé a stabilní nanostruktury tvořené šesti vlákny DNA. Tyto nanostruktury jsou potaženy vrstvou peptidů, které zvyšují jejich pevnost a odolnost v prostředí těla. Nanostruktury jsou navíc biologicky rozložitelné, což znamená, že se mohou v lyzozomech rozpadnout na menší části. Tyto části pak unikají do zbytku buňky a ovlivňují různé buněčné procesy.
Potenciál v boji proti rakovině
Jedním z nejzajímavějších využití této technologie je cílená destrukce nádorových buněk. Výzkum ukázal, že vysoké koncentrace aureinem potažených DNA nanostruktur způsobují rozsáhlé poškození lyzozomů, což vede k jejich prasknutí a následné smrti nádorových buněk, včetně velmi rezistentních glioblastomových buněk. Tato platforma tak představuje slibnou cestu pro vývoj nových terapeutických metod, které by mohly efektivně ničit rakovinné buňky prostřednictvím narušení lyzozomálních funkcí.
Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky Fyzikálního ústavu AV ČR, ocenil přínos celého týmu: „Výzkum tohoto rozsahu by nebyl možný bez mimořádného nasazení všech spolupracujících vědců a vědkyň. Tento projekt ukazuje, jak důležité je propojení vědeckých týmů z různých institucí, které společně pracují na dosažení významných výsledků pro biomedicínu.“
Při příležitosti Studentské konference Sekce optiky, která se koná dne 25. listopadu 2024 Vás zveme k prezentaci, která bude komentovat část tohoto projektu a také další oblasti, kterými se Laboratoř biofyziky zabývá. Petra Elblová se pokusí vysvětlit některé z klíčových experimentálních zjištění tohoto projektu. Alicia Calé představí další oblasti biomedicínského výzkumu, jako jsou efekty různých mechanických prostředí na lidské buňky. To je důležitý aspekt lidského vědění, protože různé tkáně našeho těla podléhají různým mechanickým vlivům a je tak ovlivněn například příjem léčiv a chování buněk jako takových.