Bottom-up fabrication of custom nanostructures using the methods of DNA nanotechnology has great potential for applications in many areas of science and technology. One obstacle to applications concerns the constrained environmental conditions at which DNA objects retain their structure. We present a general, site-selective, and scalable method for creating additional covalent bonds that increase the structural stability of DNA nanostructures. Placement of thymidines in close proximity within DNA nanostructures allows the rational creation of sites for covalent cyclobutane pyrimidine dimer (CPD) bonds induced via ultraviolet irradiation. The additional covalent bonds may be used in a sequence-programmable fashion to link free strand termini, to bridge strand breaks at crossover sites, and to create additional interhelical connections. Thus designed multilayer DNA origami objects can remain stable at temperatures up to 90°C and in pure double-distilled water with no additional cations present. In addition, these objects show enhanced resistance against nuclease activity. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) structural analysis of non-cross-linked and cross-linked objects indicated that the global shape and the internal network of crossovers are preserved after irradiation. A cryo-EM map of a CPD-stabilized multilayer DNA origami object determined at physiological ionic strength reveals a substantial swelling behavior, presumably caused by repulsive electrostatic forces that, without covalent stabilization, would cause disassembly at low ionic strength. Our method opens new avenues for applications of DNA nanostructures in a wider range of conditions.

ABSTRACT Targeting nanoparticle therapeutics with cellular accuracy in whole organisms could open breakthrough opportunities in precision medicine. However, evaluating and fine-tuning the biodistribution of such systems in the whole organism at the cellular level remains a major obstacle. Here, we constructed targetable DNA origami, and analyzed biodistribution in transparent mice, in addition to studying tolerability, clearance kinetics, and immune response parameters. Untargeted DNA origami primarily accumulated in the spleen and the liver, while an immune cell-targeting variant successfully attached to immune cells throughout the body. A cancer cell-targeting mimetic co-localized on solid-tumor metastasis in the liver and the lung. These findings indicate that DNA origami can be directed in vivo, providing an important proof-of-concept and highlights the potential of high-resolution tissue-clearing imaging technologies in their development. Graphical Abstract Highlights This study demonstrates the potential of DNA origami-based drug delivery systems as versatile tool for for targeted delivery, which could be used to treat a range of diseases with applications. The immune compatibility, half-life, targeting efficiency, and the biodistribution evaluation of DNA origami indicate its potential for systemic drug delivery. Our approach enables the assessment of biodistribution of nanoparticles in the intact body with a sensitivity to the single-cell level, highlighting the high-resolution tissue clearing technoloies in revealing DNA origami’s feasibility for drug targeting.

Efficient and accurate nanocarrier development for targeted drug delivery is hindered by a lack of methods to analyze its cell-level biodistribution across whole organisms. Here we present Single Cell Precision Nanocarrier Identification (SCP-Nano), an integrated experimental and deep learning pipeline to comprehensively quantify the targeting of nanocarriers throughout the whole mouse body at single-cell resolution. SCP-Nano reveals the tissue distribution patterns of lipid nanoparticles (LNPs) after different injection routes at doses as low as 0.0005 mg kg-1-far below the detection limits of conventional whole body imaging techniques. We demonstrate that intramuscularly injected LNPs carrying SARS-CoV-2 spike mRNA reach heart tissue, leading to proteome changes, suggesting immune activation and blood vessel damage. SCP-Nano generalizes to various types of nanocarriers, including liposomes, polyplexes, DNA origami and adeno-associated viruses (AAVs), revealing that an AAV2 variant transduces adipocytes throughout the body. SCP-Nano enables comprehensive three-dimensional mapping of nanocarrier distribution throughout mouse bodies with high sensitivity and should accelerate the development of precise and safe nanocarrier-based therapeutics.