‘Zelfdenkende medicijnen’ met DNA-computer stap dichterbij

Onderzoekers van de TU/e presenteren vandaag een nieuwe techniek die het mogelijk moet maken om met behulp van DNA-computers de afgifte van medicatie in het bloed te controleren. In het vakblad Nature Communications beschrijft het team, onder leiding van biomedisch ingenieur Maarten Merkx, hoe ze voor het eerst een DNA-computer hebben ontwikkeld die in staat is om meerdere antistoffen in het bloed te detecteren en op basis daarvan een berekening uit te voeren. Dit is een belangrijke stap in de ontwikkeling van slimme, ‘zelfdenkende’ medicijnen, waarmee op termijn de medicatie van bijvoorbeeld reuma en de ziekte van Crohn beter kan worden gecontroleerd, met minder bijwerkingen en lagere kosten.

De methode die de TU/e-onderzoekers presenteren is te vergelijken met een beveiligingssysteem dat eigenhandig een deur opent afhankelijk van de persoon die ervoor staat. Wanneer de camera de persoon herkent, gaat de deur van het slot, maar bij een onbekende blijft de deur dicht. “Het onderzoek naar diagnostische tests richt zich vaak alleen op de ‘herkenning’, maar het bijzondere aan dit systeem is dat het nadenkt en dat het kan worden gekoppeld aan een actie zoals de afgifte van een medicijn”, zegt hoogleraar Biomedical Chemistry Maarten Merkx.

DNA-computer

Om een dergelijke bewerking te kunnen doen is dus ‘denkwerk’ nodig. Die rol wordt in dit systeem vervuld door een zogenaamde DNA-computer. DNA kennen we als de drager van genetische informatie, maar DNA-moleculen blijken ook zeer geschikt om moleculaire berekeningen mee te doen. De volgorde binnen een DNA-molecuul bepaalt met welke andere DNA-moleculen het kan reageren, waardoor onderzoekers van tevoren gewenste reacties kunnen programmeren.

Antilichamen

Tot dusver was de biomedische toepassing van DNA-computers beperkt omdat ze alleen andere DNA- en RNA-moleculen als input konden gebruiken. Om te bepalen of iemand een bepaalde ziekte heeft is het belangrijk om de concentratie van specifieke antistoffen te meten – stoffen die ons afweersysteem aanmaakt als we ziek zijn. Merkx en zijn collega’s zijn er nu als eerste in geslaagd om de aanwezigheid van antistoffen te koppelen aan een DNA-computer.

Medicijnafgifte

Hun techniek vertaalt de aanwezigheid van elke antistof naar een uniek stukje DNA, waarna de DNA-computer op basis van de aanwezigheid van één of meerdere antistoffen kan beslissen of bijvoorbeeld medicijnafgifte nodig is. “Bij aanwezigheid van een bepaald DNA-molecuul wordt een serie reacties in gang gezet waarbij we de DNA-computer verschillende programma’s kunnen laten uitvoeren”, legt promovendus en eerste auteur Wouter Engelen uit. “Onze resultaten laten zien dat we de DNA-computer kunnen gebruiken om de activiteit van enzymen te controleren, maar we denken dat het ook mogelijk is om bijvoorbeeld de activiteit van een therapeutisch antilichaam te controleren.”

Medicatie

Bij de behandeling van chronische ziektes als reuma of de ziekte van Crohn gebruikt men zulke therapeutische antilichamen als medicatie. Het uiteindelijke doel van dit systeem is dat het eigenhandig de hoeveelheid therapeutische antilichamen in het bloed meet en besluit of toediening van eventuele extra medicatie nodig is. Merkx: “Door het meten van antilichamen direct te koppelen aan de behandeling van de ziekte zouden we in de toekomst bijwerkingen en kosten kunnen verminderen.”

Publicatie

Engelen et al., Antibody-controlled actuation of DNA-based molecular circuits, Nature Communications (17 februari 2017)
DOI: 10.1038/NCOMMS14473.