Controlled Decoration of Molecular Spherical Nucleic Acids

Abstract

Research on therapeutically effective oligonucleotides (antisense oligonucleotides, ASOs and small interfering RNAs, siRNAs) has grown rapidly during the last decades. Oligonucleotide (ON) therapeutics are nowadays an effective drug modality for the treatment of many diseases. However, oligonucleotides therapeutic potential is still limited by known issues; e.g., premature elimination via renal clearance, unfavourable bio-distribution, and poor cellular uptake, which considerably restrict systemic delivery of ONs to target cells. To address some of these issues, covalent conjugation of oligonucleotides with ligands, that have affinity for a specific cell type, may enhance cell uptake and targeted delivery of ONs. Spherical nucleic acids (SNAs) provide an attractive alternative formulation option for ONs, because they may overcome some of the restrictions of traditional nucleic acids.

This thesis describes syntheses of molecularly defined C60-based SNAs, including new core units and controlled decoration approaches. A controlled monofunctionalization of molecular SNAs on an azide-functionalized [C60]fullerene has been developed. This methodology allows controlled functionalization of one oligonucleotide arm on the SNAs, for example with labels or other conjugate groups. Glycocluster-oligonucleotide conjugates were prepared, hybridized with complementary strands of a C60-based SNA and cellular uptake of these glycodecorated SNAs with PC3 prostate cancer cells were preliminary studied. A bifunctional C60-core was prepared, that can be selectively one-pot functionalized by two successive pericyclic click reactions (i.e., inverse electron-demand Diels-Alder cycloaddition, iEDDA and strain promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC). By using this core unit, hetero-antennary SNAs (including glycoballs and glycopeptide structures) have been assembled. This synthetic strategy may find interesting applications as novel delivery vehicles, in which tissue specific ligands and drug payloads may be loaded on the same SNA in an orthogonal way.

KEYWORDS: fullerene, oligonucleotide, spherical nucleic acid, glycocluster, oligonucleotide conjugate, tergeted delivery

Kiinnostus oligonukleotidien mahdollisuuksiin lääkeaineina on kasvanut nopeasti kahden viime vuosikymmenen aikana. Nykyään niitä voidaankin jo pitää varteenotettava lääkemodaliteettina useisiin sairauksiin. Niiden käyttö on kuitenkin yhä rajoittunut, mikä johtuu oligonukleotidien heikoista lääkekuljetin ominaisuuksista systeemisessä annostelussa. Näitä ovat esimerkiksi heikko soluun otto, epäsuotuisa biologinen jakautuminen ja ennenaikainen munuaissuodatus, jotka rajoittavat oligonukleotidien pääsyä kohdekudokseen ja –soluun. Näitä ongelmia pystytään ratkomaan osin, kun oligonukleotideihin liitetään kovalenttisesti solu- tai kudoshakuisia ligandeja, mutta tämäkin mahdollisuus rajoittuu tiettyihin erityistapauksiin. Pallonukleiinihapot ovat mielenkiintoinen mahdollisuus oligonukleotidien lääkekuljetinominaisuuksien tehostamiseksi. Niissä oligonukelotidit rakennetaan tiheäksi kuoreksi sopivan runkorakenteen ympärille. Nämä kontrolloidusti rakennetut nanopartikkelit voivat tehostaa ligandivälitteistä kudos- ja soluspesifisyyttä.

Tämä väitöskirjatutkimus keskittyy molekulaarisesti määriteltyjen ja kontrolloidusti pintarakenteeltaan muokattujen C60-fullereeniin pohjautuvien pallonukleiinihappojen synteesistrategioihin. Tutkimuksessa optimoitiin menetelmä, jossa pallonukleiinihapporakenteita pystyään monofunktionalisoimaan helposti, selektiivisesti ja hyvällä saannolla. Tämä on tärkeä menetelmä, kun halutaan minimoida leiman vaikutusta tarkasteltavan pallonukleiinihapon biologisten ominaisuuksien tarkastelussa. Samaa menetelmää voidaan hyödyntää myös pallonukleiinihappojen konjugoimiseen muihin lääkekuljetinmolekyyleihin; esimerkiksi vasta-aineisiin tai aptameereihin. Tutkimuksessa syntetisoitiin myös ortogonaalisesti muokattu fullereenirakenneyksikkö, joka mahdollistaa uudenlaisten heterobifunktionaalisten pallonukleiinihappojen valmistamisen yhdessä reaktioastiassa. Tutkimuksen kolmantena kohteena olivat sokerikuorrutetut pallonukleiinihapot, joiden kokoamisessa hyödynnettiin kaksoiskierteen muodostumista. Kyseisissä rakenteissa ligandi-soluvuorovaikutuksen odotetaan tehostuvan. Rakenteilla tehtiin alustavia solukokeita.

ASIASANAT: Fullereeni, oligonukleotidi, oligonukleotidikonjugaatti, pallonukleiinihappo, glykoklusteri, lääkeainekuljetus