Functional nucleic acids for ultrasound-controlled release and targeted cancer theranostics

Rath, Wolfgang Hubertus; Herrmann, Andreas; Pich, Andrij

doi:HT031382588

Functional nucleic acids for ultrasound-controlled release and targeted cancer theranostics

Rath, Wolfgang Hubertus^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wolfgang Hubertus Rath, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Herrmann, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10722
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023760/files/1023760.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DNAzyme (frei) ; Ultraschall (frei) ; Wirkstofftransport (frei) ; aptamer (frei) ; biolabeling (frei) ; drug delivery (frei) ; ultrasound (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Diese Arbeit untersucht die Nutzung von funktionalen Nukleinsäuren (FNS) für das Design von Ultraschall-responsiven Systemen zur Wirkstofffreisetzung und für die Entwicklung von theranostischen Systemen zur Diagnose und Behandlung von Krebs. Im Gegensatz zu synthetischen Polymeren bieten FNS effektive Sequenz-Programmierbarkeit, sowie die Fähigkeit definierte Sekundär- und Tertiär-Strukturen zu bilden und direkt mit biologischen Systemen zu interagieren. Ein weiterer Vorteil von FNS ist, dass sie einfacher chemisch modifiziert werden können. In dieser Arbeit werden zwei vielseitige Techniken zur Entwicklung von multifunktionalen FNS hervorgehoben: Rolling Circle Amplification und die kupferfreie Click-Reaktion. RCA ist eine isothermale Amplifikations-Methode, wobei Polynukleotide mit sehr hoher Molmasse generiert werden. Durch diese hohe Masse eignen sich RCA-Produkte zur Konstruktion von US-responsiven Systemen. Sie sind ebenfalls nützlich als Wirkstofftransport-System, da sie hohe Nuklease-Stabilität besitzen und nur langsam über die Nieren ausgeschieden werden. Die kupferfreie Click-Reaktion ist eine der wichtigsten Biokonjugations-Reaktionen, und kann verwendet werden, um FNS mit verschiedenen Labels für Bildgebungs- oder Therapie-Anwendungen zu funktionalisieren. Kapitel 1 fasst den wissenschaftlichen Kontext dieser Arbeit zusammen. Die Grundlegenden Eigenschaften von FNS und ihre Anwendung im Wirkstofftransport für Krebstherapie werden erklärt. Außerdem werden die häufigsten Reaktionen zur chemischen Modifikation von FNS und Labeling-Strategien für verschieden Bildgebungs-Anwendungen diskutiert. Zusätzlich werden die Grundlagen der Polymer-Mechanochemie und ihre Anwendung zur Konstruktion von biokompatiblen mechanochemischen Systemen erläutert. Kapitel 2 präsentiert ein System für die US-Aktivierung eines RNA-spaltenden DNAzyms. Dieses System basiert auf einem großen DNA-Strang, der durch RCA generiert wird, und anschließend mit dem DNAzym hybridisiert wird, um dessen katalytische Aktivität auszuschalten. Das DNAzym kann dann durch US freigesetzt werden und anschließend sein Substrat spalten, was durch Fluoreszenz beobachtet werden kann. Kapitel 3 präsentiert ein auf RCA basierendes Wirkstofftransportsystem für die Behandlung von Glioblastoma in einem in ovo Modell. Hierzu wird die AS1411 Aptamer-Sequenz auf den RCA-Strang kodiert, was eine Ziel-Funktion für Glioblastoma-Zellen bereitstellt. Zusätzlich wird ein Chelator-Molekül für Radiolabeling durch Click Chemie an den RCA-Strang konjugiert, und das Krebsmedikament Doxorubicin wird durch Interkalation auf den RCA-Strang geladen. In Kombination bilden diese Elemente eine flexible theranostische Plattform für Positronen-Emissions-Tomographie mit 68Ga oder den Co-Transport von 177Lu und Dox für kombinierte Radio- und Chemotherapie. Kapitel 4 stellt eine Click-Labeling-Strategie zur Synthese eines gezielten Kontrastmittels für Magnet-Resonanz-Tomographie vor. Die Erhöhung des MRT-Kontrasts wird in diesem Fall durch Para-Wasserstoff induzierte Polarisation (PHIP) erzielt. Aptamere, die mit diesen PHIP-Labels konjugiert werden, sind ein erfolgsversprechendes Kontrastmittel für gezielte Tumorbildgebung durch MRT bei niedriger Magnetfeldstärke, z.B. in portablen MRT-Geräten. Der letzte Abschnitt fasst die erzielten Ergebnisse zusammen und stellt potenzielle darauf aufbauende Forschungsthemen vor.

This thesis explores how functional nucleic acids (FNAs) can be used to construct ultrasound-responsive release systems and theranostic applications for the diagnosis and therapy of cancer. In contrast to synthetic polymers, FNAs offer powerful sequence programmability, the ability to form defined secondary and tertiary structures and can directly interface with biological systems. Another outstanding feature of FNAs is that they can easily be chemically modified. In particular, this thesis highlights two versatile techniques that can be used to generate multifunctional NAs: rolling circle amplification and copper-free Click reaction. RCA is an isothermal amplification technique that generates polynucleotides with very large molar mass. Due to their size, RCA products can be used to construct US-responsive systems. They are also a useful tool in the context of drug delivery, since they exhibit high nuclease stability and slow renal clearance. The copper-free Click reaction is one of the most important biolabeling reactions, which can be used to functionalize NAs with a variety of labels to facilitate imaging or therapeutic applications. Chapter 1 of this thesis summarizes the necessary scientific context for this work. Firstly, the fundamentals of FNAs and their applications in the context of cancer drug delivery are summarized. The most common reactions for the chemical modification of NAs, as well as different labeling strategies for FNAs to facilitate various imaging techniques are discussed. Furthermore, the basics of polymer mechanochemistry, and how they can be applied to NAs in order to generate biocompatible mechanochemical systems are introduced. In chapter 2, a mechanoresponsive system for the US mediated activation of an RNA-cleaving DNAzyme is presented. This system is based on a large DNA strand generated through RCA, onto which the DNAzyme is hybridized to deactivate it. The DNAzyme can then be released through US and subsequently cleave its substrate which is monitored by fluorescence. Chapter 3 presents an RCA based drug delivery system for the treatment of glioblastoma using an in ovo model. For this purpose, the AS1411 aptamer sequence is encoded onto the RCA strand, providing a glioblastoma targeting function. Additionally, a chelator for radiolabeling is attached to the RCA strand through Click chemistry and the anticancer drug Doxorubicin is loaded onto the DNA via non-covalent interactions. In combination, these elements form a flexible theranostic platform for positron emission tomography using 68Ga, and the co-delivery of Dox and 177Lu for combined chemo- and radiotherapy. Chapter 4 introduces an aptamer Click labeling strategy to generate targeted contrast agents for magnetic resonance imaging. The enhancement in MRI contrast is achieved through para-hydrogen induced polarization (PHIP). When conjugated with an aptamer, these PHIP tags are promising tools for targeted cancer imaging with MRI at low magnetic fields, for example in portable MRI machines. The final section summarizes this work and gives some outlook on potential future research topics.

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