Ingeniører skaber en inhalerbar form for messenger-RNA

Messenger RNA, som kan få celler til at producere terapeutiske proteiner, har store løfter til behandling af en række sygdomme. Den største hindring for denne tilgang hidtil har været at finde sikre og effektive måder at levere mRNA-molekyler til målcellerne.

I et fremskridt, der kan føre til nye behandlinger for lungesygdomme, MIT-forskere har nu designet en inhalerbar form for mRNA. Denne aerosol kan administreres direkte i lungerne for at hjælpe med at behandle sygdomme som cystisk fibrose, siger forskerne.

"Vi tror, ​​at evnen til at levere mRNA via inhalation kan give os mulighed for at behandle en række forskellige sygdomme i lungen, siger Daniel Andersen, en lektor i MIT's Department of Chemical Engineering, medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science (IMES), og den seniorforfatter af undersøgelsen.

Forskerne viste, at de kunne inducere lungeceller i mus til at producere et målprotein - i dette tilfælde, et bioluminescerende protein. Hvis den samme succesrate kan opnås med terapeutiske proteiner, som kunne være høj nok til at behandle mange lungesygdomme, siger forskerne.

Asha Patel, en tidligere MIT postdoc, der nu er assisterende professor ved Imperial College London, er hovedforfatter af papiret, som optræder i bladets nummer 4. januar Avancerede materialer . Andre forfattere af papiret inkluderer James Kaczmarek og Kevin Kauffman, både nylige MIT Ph.D. modtagere; Suman Bose, en forsker ved Koch Instituttet; Faryal Mir, en tidligere MIT teknisk assistent; Michael Heartlein, den tekniske chef hos Translate Bio; Frank DeRosa, senior vicepræsident for forskning og udvikling hos Translate Bio; og Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT og medlem af Koch Institute.

Behandling ved indånding

Messenger RNA koder for genetiske instruktioner, der stimulerer celler til at producere specifikke proteiner. Mange forskere har arbejdet på at udvikle mRNA til behandling af genetiske lidelser eller kræft, ved i det væsentlige at omdanne patienternes egne celler til lægemiddelfabrikker.

Fordi mRNA let kan nedbrydes i kroppen, det skal transporteres i en slags beskyttende transportør. Andersons laboratorium har tidligere designet materialer, der kan levere mRNA og en anden type RNA-terapi kaldet RNA-interferens (RNAi) til leveren og andre organer, og nogle af disse er ved at blive videreudviklet til mulig testning hos patienter.

I dette studie, forskerne ønskede at skabe en inhalerbar form for mRNA, hvilket ville gøre det muligt for molekylerne at blive leveret direkte til lungerne. Mange eksisterende lægemidler til astma og andre lungesygdomme er specielt formuleret, så de kan inhaleres via enten en inhalator, som sprøjter pulveriserede partikler af medicin, eller en forstøver, som frigiver en aerosol indeholdende medicinen.

MIT-teamet satte sig for at udvikle et materiale, der kunne stabilisere RNA under aerosolleveringsprocessen. Nogle tidligere undersøgelser har udforsket et materiale kaldet polyethylenimin (PEI) til levering af inhalerbart DNA til lungerne. Imidlertid, PEI nedbrydes ikke let, så med den gentagne dosering, der sandsynligvis ville være påkrævet til mRNA-terapier, polymeren kan akkumulere og forårsage bivirkninger.

For at undgå disse potentielle bivirkninger, forskerne henvendte sig til en type positivt ladede polymerer kaldet hyperbranched poly (beta-aminoestere), hvilken, i modsætning til PEI, er biologisk nedbrydelige.

Partiklerne, som holdet skabte, består af kugler, cirka 150 nanometer i diameter, med en sammenfiltret blanding af polymer- og mRNA-molekylerne, der koder for luciferase, et bioluminescerende protein. Forskerne suspenderede disse partikler i dråber og afleverede dem til mus som en inhalerbar tåge, ved hjælp af en forstøver.

"Åndedræt bruges som en enkel, men effektiv leveringsvej til lungerne. Når først aerosoldråberne er inhaleret, nanopartiklerne indeholdt i hver dråbe trænger ind i cellerne og instruerer den i at lave et bestemt protein fra mRNA, " siger Patel.

Forskerne fandt ud af, at 24 timer efter at musene inhalerede mRNA, lungeceller producerede det bioluminescerende protein. Mængden af ​​protein faldt gradvist over tid, efterhånden som mRNA'et blev clearet. Forskerne var i stand til at opretholde stabile niveauer af proteinet ved at give musene gentagne doser, hvilket kan være nødvendigt, hvis det er tilpasset til behandling af kronisk lungesygdom.

Bred fordeling

Yderligere analyse af lungerne afslørede, at mRNA var jævnt fordelt i lungernes fem lapper og hovedsageligt blev optaget af epitel-lungeceller, som beklæder lungeoverfladerne. Disse celler er involveret i cystisk fibrose, såvel som andre lungesygdomme såsom respiratory distress syndrome, som er forårsaget af mangel på overfladeaktivt protein. I hendes nye laboratorium på Imperial College London, Patel planlægger at undersøge mRNA-baserede lægemidler yderligere.

I dette studie, forskerne viste også, at nanopartiklerne kunne frysetørres til et pulver, tyder på, at det kan være muligt at afgive dem via en inhalator i stedet for forstøver, hvilket kunne gøre medicinen mere bekvem for patienterne.