Anotace
DNA nanotechnologie přinesly pozoruhodné pokroky v nových kompozitních materiálech s různými aplikacemi v biomedicíně, což z DNA nanostruktur (DN) činí slibný nástroj pro biosenzoriku, přenos léčiv, modulaci buněk a bioobrazování. Nicméně pro úspěšnou aplikaci DNA nanostruktur ve skutečném světě je zásadní porozumět tomu, jak interagují s živými buňkami a jaké jsou následky takových interakcí. S ohledem na potenciální klinickou aplikaci DN založených aplikací je nezbytné porozumět mechanismům interakcí mezi DN a živými buňkami způsobem, který je dobře definovaný a kontrolovaný.
Studie o vstřebávání a zpracování DN se převážně provádějí na umělých tkáňových kulturách, které neodrážejí mechanické signály, které buňky zažívají in vivo. Narůstající počet výzkumných studií naznačuje, že buněčné fyziologické mikroprostředí generuje mechanické signály, které významně ovlivňují a regulují klíčové funkce buněk, například růst, přežití, apoptózu, diferenciaci a morfogenezi. Je zřejmé, že buněčná funkce a chování jsou regulovány tuhostí materiálu obklopujícího buňku. Integrinové a kadherinové interakce spojují fyziologické mikroprostředí adhezních buněk s cytoskeletem. Následně mechanická zpětná vazba ovlivňuje velikost, složení a strukturu adhezí a cytoskeletu buněk. Skutečně je tuhost jater spojena s progresí fibrózy a rakoviny jater. Nedávná literatura shrnuje, že hodnoty tuhosti jater mezi 1-5,5 kPa jsou označovány jako normální, zatímco tuhost jater v rozmezí 10-75 kPa je spojena s rakovinou jater. Celkově je tvrdší extracelulární matrix spojována s urychlenou migrací a podporou proliferace a chemoterapeutické rezistence u buněk hepatocelulárního karcinomu. Naše skupina rovněž prokázala, že přestavba jednotlivých jaterních karcinomových buněk vede k přeorganizaci kolonií ve velkém měřítku, aby vyhovovala bočním silám způsobeným vnějšími omezeními [Pharmaceuticals, 2020, 13, 430]. Dále jsme prokázali, že velmi měkké mikroprostředí nádoru (modul uchovávání s průměrnou hodnotou G’ ~ 94 Pa) mění velikost buněk a výrazně zpomaluje buněčnou proliferaci v závislosti na signalizaci YAP-mTOR u jaterních buněčných linií s nádorovým charakterem. Nedávno jsme informovali, že měkké mikroprostředí upreguluje glykolýzu u buněk rakoviny jater. Buňky pěstované v měkkém mikroprostředí prokazují výraznou depolarizaci mitochondrií a snížení hladiny cytochromu c oxidázy I ve srovnání se ztuhlou vrstvou buněk [ACS Biomater. Sci. Eng. 2023, 9, 2408]. Naše předběžná studie, která zkoumá, jak mechanické signály vycházející z buněčného mikroprostředí ovlivňují chování buněk, ukazuje, že se jedná o správný směr a odůvodňuje další výzkum v oblasti mechanotransdukce.
Vzhledem k tomu, tato data naznačují, že mechanika buněčného prostředí ovlivňuje metabolickou aktivitu buněk. Proto jsme předpokládali, že takové metabolické přeprogramování buněčné aktivity by mohlo být přeneseno na zpracování DN buňkami. Ačkoli je mnoho informací známo zvlášť o odezvě buněk na jejich místní fyzikální prostředí a o velikosti/tvaru závislém vstřebávání různých nanomateriálů buňkami, vliv tuhosti extracelulární matrix na vstřebávání a zpracování nanop částic buňkami zůstává obecně poněkud rozdrobený. V současné literatuře chybí poznatky o tom, jak tuhost mikroprostředí ovlivňuje vstřebávání a zpracování DN. Naším cílem je tedy získat hluboké znalosti o molekulárně biofyzikálních mechanismech modulace vstřebávání a zpracování DN buňkami, které jsou omezeny vnějšími mechanickými silami. Detailně analyzujeme, jak jsou DN zpracovávány v rámci buňky (transportní mechanismy, interakce s organelami, degradace) a jak buňka reaguje na jejich začlenění.
Abychom mohli odpovědět na tak náročnou otázku, potřebujeme synergický spolupracovní rámec s předními odborníky v oblasti DNA nanotechnologií. Již jsme navázali úspěšnou spolupráci se skupinou profesora Stephanopoulose na Arizonské státní univerzitě, USA (https://www.stephanopouloslab.com/). Spolupracujeme velmi produktivně, což se projevilo v kvalitních společných publikacích. Naším záměrem je tuto plodnou spolupráci pokračovat a posunout ji na vyšší úroveň. Spolupráce s přední výzkumnou skupinou (skupinou profesora Stephanopoulose) nakonec zvýší kvalitu a posílí excelenci české vědy v oblasti DNA nanotechnologií. Jsme si jisti, že tato spolupráce přispěje k viditelnosti české základní výzkumu na mezinárodní úrovni. Důležitým faktorem je, že naše výzkumné skupiny se vzájemně doplňují v odborných znalostech, což nás činí sebejistými v úspěšné realizaci tohoto projektu. Tento projekt poskytne vysoce inovativní poznatky o kvantitativních vztazích mezi přenosem mechanických sil do buňky a následným orchestrováním vstřebávání a zpracování DN.