Ученые Корнельского университета из лаборатории доцента Дана Луо (Dan Luo) создали из синтетических цепочек ДНК биосовместимый, биоразрушаемый и недорогой гидрогель, пригодный для биомедицинского применения

.

Гидрогель – это жидкая или полутвердая субстанция, изготавливаемая из переплетенных между собой полимерных молекул. Такие материалы содержат пустоты, способные, как губка, адсорбировать воду или другие жидкости. Если полости гидрогеля наполнить каким-либо препаратом, то в условиях организма он будет высвобождать лекарство постепенно, по мере разрушения полимера. Гидрогели, содержащие стволовые клетки, факторы роста или их комбинации, все чаще применяют в качестве каркасов для тканевой инженерии.

Обычно для этих целей гидрогели изготавливают из органических или неорганических полимеров, например, альгината, полученного из морских водорослей. Иногда в качестве сырья используются молекулы белков, но попыток изготовления гидрогеля исключительно из молекул ДНК до сих пор не предпринималось. Традиционно синтез гидрогелей проводится в весьма суровых условиях: при высоких температурах и с использованием органических растворителей или кислот. Препараты и живые клетки не переносят воздействия экстремальных факторов, поэтому введение их в пустоты гидрогелей осуществляется по завершении процесса синтеза.

Для изготовления гидрогеля на основе ДНК не требуется ни высоких температур, ни агрессивных химикатов, поэтому терапевтические наполнители могут вводиться в его состав в процессе синтеза. Кроме того, то, что гель состоит исключительно из синтетической ДНК, исключает его иммуногенность.


Каждая молекула ДНК представляет собой уникальную последовательность нуклеотидных оснований. Две цепи с комплементарными последовательностями соединяются между собой подобно половинкам замка-молнии. Пользуясь этим свойством ученые создали крестообразные, а также Т- и Y-подобные ДНК-структуры, цепочки которых комплементарны друг другу только в определенных участках.

Концевые участки этих структур скрепляются друг с другом при помощи ферментов лигаз. В результате крестообразные структуры формируют каркас геля, представляющий тончайшие пласты, сформированные из квадратных ячеек и соединяющиеся между собой в трехмерную структуру. Y-подобные структуры формируют трехмерные волокна, а Т-подобные – неупорядоченные структуры, напоминающие скопление чешуек.

Оказалось, что свойства образующегося при этом геля, в том числе его плотность и способность впитывать и высвобождать растворы, можно менять за счет изменения ветвистости и соотношения типов ДНК в смеси.


Для демонстрации способности материала поддерживать форму, в том числе с точностью до нанометра, ученые придали образцам различные формы. На рисунке вверху – надпись размером около 3 см; введенный в буквы флуоресцентный белок светится под действием ультрафиолета (посередине). Размер светящейся зеленым надписи внизу – 3,5 микрона.

В качестве теста на пригодность ДНК-гидрогеля в качестве переносчиков препаратов в его структуру включали свиной инсулин и противоопухолевый препарат Камптотецин (Camptothecin). Эксперименты показали, что высвобождение этих препаратов происходит постепенно, а его скорость можно регулировать, изменяя структуру геля. Клетки, пробывшие внутри гидрогеля три дня, сохраняли жизнеспособность после его разрушения с помощью ферментов.

Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам Cornell Chronicle.