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Nukleinsäuren wie DNA und RNA spielen eine zentrale Rolle für Gentherapien und Impfstoffe. Sie speichern und übertragen biologische Informationen. Damit sie im Körper wirken, müssen sie mit chemischen Trägersystemen in die Zellen gelangen. Forschende des Helmholtz-Zentrums Hereon schlagen nun eine neue Strategie für die Entwicklung solcher Systeme vor: Statt dasselbe Trägermaterial für unterschiedliche Nukleinsäuren zu nutzen, sollte der Träger individuell auf die jeweilige Fracht angepasst werden. Das könnte die Wirksamkeit etwa von Impfstoffen verbessern. Die Studie entstand gemeinsam mit der Universität Potsdam und Pantherna Therapeutics und ist im Journal Advanced Science erschienen.
DNA und RNA werden im Körper schnell abgebaut und können Zellmembranen nicht selbstständig überwinden. Außerdem treffen sie im Organismus auf das Immunsystem. „Die Schutzmechanismen unseres Körpers wirken gegen diese biologisch aktiven Substanzen, die wir gezielt in die Zelle bringen wollen“, erklärt Dr. Hanieh Moradian, Forscherin vom Institut für Aktive Polymere am Hereon-Standort Teltow bei Berlin. „Ein Transportsystem muss diese Barrieren überwinden können, ohne dabei Schaden anzurichten.“
Solche Trägersysteme verpacken die Nukleinsäuren, schützen sie auf dem Weg durch den Körper und erleichtern ihnen das Eindringen in die Zelle. Heute dominieren Lipid-Nanopartikel den klinischen Einsatz, also winzige Fettkügelchen, bekannt etwa aus COVID-19-Impfstoffen. Sie sind effizient, haben aber auch Nachteile wie eine begrenzte Stabilität.
Polymere als Alternative
Hier setzt eine neue Generation von Trägersystemen an, die auf Polymeren basiert. „Ein großer Vorteil von Polymeren ist, dass sie sich chemisch gezielt verändern lassen“, sagt Moradian. „Dadurch ist es möglich, ihre Struktur anzupassen, sie stabiler zu machen oder so zu verändern, dass sie länger im Körper aktiv bleiben.“ Gerade für Anwendungen mit verzögerter oder langfristiger Wirkstoff-Freisetzung könnten sie interessant sein.
Bislang werden einzelne Polymerträger oft für mehrere Nukleinsäuren eingesetzt. Die Forschenden schlagen nun ein neues Designkonzept vor. Es zielt darauf ab,
Trägersysteme spezifisch auf die Eigenschaften der Fracht abzustimmen und dadurch für die jeweilige Anwendung zu optimieren – von der Krebsforschung über Impfstoffe bis hin zur regenerativen Medizin.
Der Ansatz unterscheidet vier Ebenen: den chemischen Aufbau sowie Größe und Beweglichkeit von Fracht und Träger, ihre Wechselwirkungen sowie die Einbettung der Träger in größere Strukturen. Letzteres ist kaum erforscht, könnte aber eine kontrollierte, langfristige Freisetzung von Nukleinsäuren ermöglichen.
„Unsere zentrale Botschaft lautet: Man muss zuerst verstehen, welche Art von Nukleinsäure man transportieren möchte“, so Moradian. „Eine große, starre DNA stellt andere Anforderungen als eine kurze RNA oder eine mittellange mRNA. Wenn man diese Unterschiede ignoriert, verschenkt man Potenzial.“
KI als Beschleuniger
Künstliche Intelligenz könnte die Entwicklung polymerbasierter Träger deutlich voranbringen. Die Vision: Statt einzelne Materialien mühsam zu testen, stellen Robotersysteme große Mengen an verschiedenen Polymeren her, deren Eigenschaften sich dann systematisch vergleichen lassen. „Wenn wir verstehen, wie sich bestimmte Eigenschaften von Träger und Fracht gegenseitig beeinflussen, können wir diese Informationen in prädiktive Modelle einspeisen“, erklärt Moradian. „KI-basierte Modelle könnten helfen, Trägerdesigns vorherzusagen, die für eine bestimmte Fracht am besten geeignet sind.“
Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Dr. Hanieh Moradian
Wissenschaftlerin
Institut für Aktive Polymere
Tel.: +49 (0) 30 450539-504
Mail: hanieh.moradian@hereon.de
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202512653
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines repräsentativen polymeren Nanopartikels für den Transport vo ...
Source: Hereon/Weiwei Wang
Copyright: Hereon/Weiwei Wang
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Chemistry, Materials sciences, Medicine, Social studies
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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