Acid-Resistant and Physiological pH-Responsive DNA Hydrogel Composed of A-Motif and i-Motif toward Oral Insulin Delivery

化学 质子化 DNA 单体 胞嘧啶 聚合 立体化学 脱质子化 组合化学 聚合物 生物化学 有机化学 离子
作者
Yuwei Hu,Shujun Gao,Hongfang Lu,Jackie Y. Ying
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (12): 5461-5470 被引量:123
标识
DOI:10.1021/jacs.1c13426
摘要

An acid-resistant DNA hydrogel that is stable in an extremely acidic environment with pH as low as 1.2 has not been reported before, largely due to the instability of DNA-hybridized structures. To achieve this, adenine (A)-rich and cytosine (C)-rich oligonucleotides are rationally designed and integrated to form copolymers with acrylamide monomers via free-radical polymerization. In an acidic environment (pH 1.2-6.0), the generated copolymers form a hydrogel state, which is cross-linked by parallel A-motif duplex configurations (pH 1.2-3.0) and quadruplex i-motif structures (pH 4.0-6.0) due to the protonation of A and C bases, respectively. Specifically, the protonated A-rich sequences under pH 1.2-3.0 form a stable parallel A-motif duplex cross-linking unit through reverse Hoogsteen interaction and electrostatic attraction. Hemi-protonated C bases under mildly acidic pH (4.0-6.0) form quadruplex i-motif cross-linking configuration via Hoogsteen interaction. Under physiological pH, both A and C bases deprotonated, resulting in the separation of A-motif and i-motif to A-rich and C-rich single strands, respectively, and thereby the dissociation of the DNA hydrogel into the solution state. The acid-resistant and physiological pH-responsive DNA hydrogel was further developed for oral drug delivery to the hostile acidic environment in the stomach (pH 1.2), duodenum (pH 5.0), and small intestine (pH 7.2), where the drug would be released and absorbed. As a proof of concept, insulin was encapsulated in the DNA hydrogel and orally administered to diabetic rats. In vitro and in vivo studies demonstrated the potential usage of the DNA hydrogel for oral drug delivery.
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