Forskere opdager, at form betyder noget i DNA-nanopartikelterapi

Forskere fra Johns Hopkins og Northwestern-universiteter har opdaget, hvordan man kontrollerer formen af ​​nanopartikler, der bevæger DNA gennem kroppen, og har vist, at formerne på disse bærere kan gøre en stor forskel i, hvor godt de fungerer i behandlingen af ​​kræft og andre sygdomme.

Dette studie, at blive offentliggjort i 12. oktober online-udgaven af ​​tidsskriftet Avancerede materialer , er også bemærkelsesværdig, fordi denne genterapiteknik ikke bruger en virus til at transportere DNA ind i celler. Nogle genterapiindsatser, der er afhængige af vira, har udgjort sundhedsrisici.

"Disse nanopartikler kunne blive et sikrere og mere effektivt transportmiddel til genterapi, rettet mod genetiske sygdomme, kræft og andre sygdomme, der kan behandles med genmedicin, " sagde Hai-Quan Mao, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Johns Hopkins' Whiting School of Engineering.

Mao, medkorresponderende forfatter til Avancerede materialer artikel, har udviklet ikke-virale nanopartikler til genterapi i et årti. Hans tilgang involverer at komprimere sunde stykker DNA i beskyttende polymerbelægninger. Partiklerne er designet til først at levere deres genetiske nyttelast, efter at de har bevæget sig gennem blodbanen og er kommet ind i målcellerne. Inden i cellerne, polymeren nedbryder og frigiver DNA. Ved at bruge dette DNA som skabelon, cellerne kan producere funktionelle proteiner, der bekæmper sygdom.

Et stort fremskridt i dette arbejde er, at Mao og hans kolleger rapporterede, at de var i stand til at "tune" disse partikler i tre former, ligner stænger, orme og kugler, som efterligner former og størrelser af virale partikler. "Vi kunne observere disse former i laboratoriet, men vi forstod ikke helt, hvorfor de antog disse former, og hvordan man styrer processen godt, " sagde Mao. Disse spørgsmål var vigtige, fordi det DNA-leveringssystem, han forestiller sig, kan kræve specifikke, ensartede former.

For at løse dette problem, Mao søgte hjælp for omkring tre år siden hos kolleger på Northwestern. Mens Mao arbejder i et traditionelt vådlaboratorium, Northwestern-forskerne er eksperter i at udføre lignende eksperimenter med kraftige computermodeller.

Erik Luijten, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og anvendt matematik ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science og co-korresponderende forfatter til papiret, førte den beregningsmæssige analyse af resultaterne for at bestemme, hvorfor nanopartiklerne blev dannet i forskellige former.

"Vores computersimuleringer og teoretiske model har givet en mekanistisk forståelse, identificere, hvad der er ansvarligt for denne formændring, " sagde Luijten. "Vi kan nu forudsige præcist, hvordan man vælger nanopartikelkomponenterne, hvis man ønsker at opnå en bestemt form."

Brugen af ​​computermodeller gjorde det muligt for Luijtens team at efterligne traditionelle laboratorieeksperimenter i et langt hurtigere tempo. Disse molekylær dynamiske simuleringer blev udført på Quest, Northwesterns højtydende computersystem. Beregningerne var så komplekse, at nogle af dem krævede 96 computerprocessorer, der arbejdede samtidigt i en måned.

I deres papir, forskerne ønskede også at vise betydningen af ​​partikelformer i leveringen af ​​genterapi. Teammedlemmer udførte dyreforsøg, alle bruger de samme partikelmaterialer og det samme DNA. Den eneste forskel var i partiklernes form:stænger, orme og kugler.

"De ormformede partikler resulterede i 1, 600 gange mere genekspression i levercellerne end de andre former, " sagde Mao. "Dette betyder, at produktion af nanopartikler i denne særlige form kunne være den mere effektive måde at levere genterapi til disse celler på."

De partikelformer, der bruges i denne forskning, er dannet ved at pakke DNA'et med polymerer og udsætte dem for forskellige fortyndinger af et organisk opløsningsmiddel. DNA's aversion mod opløsningsmidlet, ved hjælp af teamets designede polymer, får nanopartiklerne til at trække sig sammen til en bestemt form med et "skjold" omkring det genetiske materiale for at beskytte det mod at blive ryddet af immunceller.