Bedre RNA-interferens, inspireret af naturen:Nye nanopartikler tilbyder den bedste gendæmpning nogensinde

Inspireret af små partikler, der transporterer kolesterol gennem kroppen, MIT kemiske ingeniører har designet nanopartikler, der kan levere stumper af genetisk materiale, der slukker for sygdomsfremkaldende gener.

Denne tilgang, kendt som RNA-interferens (RNAi), har store løfter til behandling af kræft og andre sygdomme. Imidlertid, levere nok RNA til at behandle det syge væv, samtidig med at man undgår bivirkninger i resten af ​​kroppen, har vist sig svært.

De nye MIT-partikler, som omslutter korte RNA-strenge i en sfære af fedtmolekyler og proteiner, dæmpe målgener i leveren mere effektivt end noget tidligere leveringssystem, fandt forskerne i en undersøgelse af mus.

"Det, vi er begejstrede for, er, hvordan der kun skal en meget lille mængde RNA til for at forårsage genet knockdown i hele leveren. Effekten er specifik for leveren - vi får ingen effekt i andre væv, hvor du ikke ønsker det, siger Daniel Andersen, Samuel A. Goldblith-lektor i kemiteknik og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Anderson er seniorforfatter til et papir, der beskriver partiklerne i Proceedings of the National Academy of Sciences ugen den 10. februar Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT, er også forfatter.

Forskerholdet, som omfattede forskere fra Alnylam Pharmaceuticals, fandt også ud af, at nanopartiklerne kraftigt kunne dæmpe gener i ikke-menneskelige primater. Teknologien er blevet licenseret til en virksomhed til kommerciel udvikling.

Naturlig inspiration

RNA-interferens er et naturligt forekommende fænomen, som videnskabsmænd har forsøgt at udnytte siden dets opdagelse i 1998. Uddrag af RNA kendt som kort interfererende RNA (siRNA) slukker for specifikke gener inde i levende celler ved at ødelægge messenger-RNA-molekylerne, der bærer DNA's instruktioner til resten af ​​cellen.

Forskere håber, at denne tilgang kan tilbyde nye behandlinger for sygdomme forårsaget af enkelte mutationer, såsom Huntingtons sygdom, eller kræft, ved at blokere muterede gener, der fremmer kræftadfærd. Imidlertid, at udvikle RNAi-terapier har vist sig at være udfordrende, fordi det er svært at levere store mængder siRNA til det rigtige sted uden at forårsage bivirkninger i andre væv eller organer.

I tidligere undersøgelser, Anderson og Langer viste, at de kunne blokere flere gener med små doser af siRNA ved at pakke RNA'et ind i fedtlignende molekyler kaldet lipidoider. I deres seneste arbejde, forskerne satte sig for at forbedre disse partikler, gøre dem mere effektive, mere selektiv, og sikrere, siger Yizhou Dong, en postdoc ved Koch Instituttet og hovedforfatter af papiret.

"Vi ønskede virkelig at udvikle materialer til klinisk brug i fremtiden, " siger han. "Det er vores ultimative mål for materialet at opnå."

Designinspirationen til de nye partikler kom fra den naturlige verden – specifikt, små partikler kendt som lipoproteiner, som transporterer kolesterol og andre fedtmolekyler gennem hele kroppen.

Ligesom lipoprotein nanopartikler, MIT-teamets nye lipopeptidpartikler er kugler, hvis ydre membraner er sammensat af lange kæder med en fedtholdig lipidhale, der vender ind i partiklen. I de nye partikler, kædens hoved, som vender udad, er en aminosyre (byggestenene i proteiner). Strenge af siRNA bæres inde i kuglen, omgivet af flere lipopeptidmolekyler. Kolesterolmolekyler indlejret i membranen og en ydre belægning af polymeren PEG hjælper med at stabilisere strukturen.

Forskerne tunede partiklernes kemiske egenskaber, som bestemmer deres adfærd, ved at variere de aminosyrer, der indgår i partiklerne. Der findes 21 aminosyrer i flercellede organismer; forskerne skabte omkring 60 lipopeptidpartikler, hver indeholder en anden aminosyre forbundet med en af ​​tre kemiske grupper - et acrylat, et aldehyd, eller en epoxid. Disse grupper bidrager også til partiklernes adfærd.

David Putnam, en lektor i biomedicinsk teknik ved Cornell University, siger, at han er imponeret over holdets tilgang til at efterligne, hvordan kroppen transporterer fede molekyler med lipoproteinpartikler.

"De kaprede det maskineri og lavede noget, der ligner lipoproteinstrukturerne og vil føre siRNA direkte til leveren. De bygger på Moder Natur og gør det så effektivt som muligt, " siger Putnam, som ikke var en del af forskerholdet.

Målrettet strejke

Forskerne testede derefter partiklernes evne til at lukke genet for et blodkoagulationsprotein kaldet Faktor VII, som produceres i leveren af ​​celler kaldet hepatocytter. Måling af faktor VII-niveauer i blodbanen afslører, hvor effektiv siRNA-dæmpningen er.

På det indledende skærmbillede den mest effektive partikel indeholdt aminosyren lysin knyttet til et epoxid, så forskerne skabte yderligere 43 nanopartikler, der ligner den, til yderligere test. Det bedste af disse forbindelser, kendt som cKK-E12, opnået gendæmpning fem gange mere effektivt end det, der er opnået med nogen tidligere siRNA-leveringsvehikel.

I et separat eksperiment, forskerne leverede siRNA for at blokere et tumorsuppressorgen, der udtrykkes i alle kropsvæv. De fandt ud af, at siRNA-levering var meget specifik for leveren, hvilket skulle minimere risikoen for bivirkninger uden for målet.

"Det er vigtigt, fordi vi ikke ønsker, at materialet skal dæmpe alle målene i den menneskelige krop, " Dong siger. "Hvis vi ønsker at behandle patienter med leversygdom, vi ønsker kun at dæmpe mål i leveren, ikke andre celletyper."

I forsøg med ikke-menneskelige primater, forskerne fandt ud af, at partiklerne effektivt kunne dæmpe et gen kaldet TTR (transthyretin), som har været impliceret i sygdomme, herunder senil systemisk amyloidose, familiær amyloid polyneuropati, og familiær amyloid kardiomyopati.

MIT-teamet forsøger nu at lære mere om, hvordan partiklerne opfører sig, og hvad der sker med dem, når de er injiceret, i håb om yderligere at forbedre partiklernes ydeevne. De arbejder også på nanopartikler, der målretter mod andre organer end leveren, hvilket er mere udfordrende, fordi leveren er en naturlig destination for fremmed materiale filtreret ud af blodet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.