Development of a Hybrid Carrier System based on DNA Origami Nanostructures and Layer-by-Layer Microcarriers

Die vorliegende Dissertation untersuchte die Kombination von DNA-Nanostrukturen, so- genannte DNA-Origami-Strukturen, mit Layer-by-Layer (LbL) Mikrotransportern zum Auf- bau eines verbesserten Medikamententrägersystems. Dies sollte die jeweiligen Vorteile der eigenständigen Systeme kombinieren um individuelle Nachteile, wie etwa die li- mitierte Stabilität der DNA-Origami-Strukturen unter physiologischen Bedingungen als auch die schrittweise Freisetzung transportierter Medikamente aus der durchlässigen Polymerschicht der LbL-Mikrotransporter, zu umgehen. Die Untersuchungen bestrebten somit die Oberflächenfunktionalisierung der LbL-Mikrotransporter, um den gerichteten Transport in spezifische Zielzellen zu ermöglichen. Im Weiteren sollte die simultane Aus- schüttung des Medikamentes durch geschützte, in die Polymerschicht integrierte, schalt- bare DNA-Origami-Strukturen erreicht werden. Dahingehend wurde zunächst die Verkapselung des Rinderserumproteins und Strept- avidins mittels eines angehangenen DNA-Stranges gezeigt. Dieser hybridisierte an die Komplementärsequenz im Inneren von DNA-Origami-Röhren und geschlossenen Käfi- gen mit rechteckigem Grundriss. Um die für den späteren Medikamententransport not- wendige Ablösung des Proteins aus der Struktur zu untersuchen, wurde das gebundene Protein durch externe Zugabe eines invasiven Stranges und einem einzelsträngigen Über- hang am Bindungsstrang nach der Technik des toehold-mediated strand displacements, dem Überhang-bedingten Strangaustausch, vom Bindungsstrang abgelöst. Die umfassende Un- tersuchung zeigte, dass die Wände geschlossener DNA-Origami-Käfige sowohl für einzel- strängige DNA als auch für Proteine teilweise permeabel waren. Im Gegensatz zu unge- schützten Strukturen, zeigten die in die LbL-Polymerschicht integrierten DNA-Origami- Strukturen in anschließenden Stabilitätsstudien eine deutliche Resistenz gegenüber phys- iologisch degradierenden Faktoren. Zum Ziel des Medikamententransports wurden die hybriden Transporter daraufhin umfassend im Zusammenspiel mit kultivierten Zellen untersucht, wobei sich eine gute Interaktionsrate bei vernachlässigbarer Toxizität des Sys- tems zeigte. Die weitere Verbesserung der biologischen Kompatibilität und Selektivität der Transporter wurde im letzten Schritt durch Oberflächenfunktionalisierung mittels einer Lipiddoppelschicht erreicht. Die zusätzliche Anbindung spezifischer Antikörper an diese Doppelschicht führte anschließend zu einer Verbesserung der Aufnahmerate bei Expres- sion des entsprechenden Rezeptors an der Zelloberfläche. Diese Arbeit zeigte somit die grundlegende Charakterisierung des hybriden Transport- systems aus DNA-Origami-Strukturen und LbL-Mikrotransportern, sowie dessen weitere Funktionalisierung und bildet daher die Grundlage für weiterführende Studien.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Leipzig

Year

2020

Author dc:creator

• Scheffler, Florian

• DNA Origami
• Layer-by-Layer
• Medikamententrägersystem