Nanopartikler bruges til at bryde slimbarrieren i lungerne

Nanoteknologi kan en dag give et inhaleret vehikel til at levere målrettede terapeutiske gener til dem, der lider af livstruende lungesygdomme. Forskere har muligvis opdaget det første genleveringssystem, der effektivt trænger ind i den menneskelige luftvejsslimbarriere, der er svær at gennembryde i lungevæv.

Forskere ved Johns Hopkins University School of Medicine, Johns Hopkins University Department of Chemical and Biomolecular Engineering, og Federal University of Rio de Janeiro i Brasilien har designet en DNA-ladet nanopartikel, der kan passere gennem slimbarrieren, der dækker ledende luftveje i lungevæv - hvilket beviser konceptet, de siger, at terapeutiske gener en dag kan leveres direkte til lungerne til de niveauer, der er tilstrækkelige til at behandle cystisk fibrose (CF), kronisk obstruktiv lungesygdom, astma og andre livstruende lungesygdomme.

"Så vidt vi ved, dette er det første bionedbrydelige genleveringssystem, der effektivt trænger ind i den menneskelige luftvejsslimbarriere i lungevæv, " siger studieforfatter Jung Soo Suk, Ph.D., en biomedicinsk ingeniør og fakultetsmedlem ved Center for Nanomedicin på Wilmer Eye Institute i Johns Hopkins. En rapport om arbejdet udkom i Proceedings of the National Academy of Sciences den 29. juni.

Slimbarrieren beskytter fremmede materialer og bakterier mod at trænge ind i og/eller inficere lungerne. I sunde lunger, indåndet stof er typisk fanget i luftvejsslim og efterfølgende fejet væk fra lungerne via bankende aktiviteter af cilia, eller lille, hårlignende tråde, til maven til sidst at blive nedbrudt. Desværre, Suk noter, denne essentielle beskyttelsesmekanisme forhindrer også mange inhalerede terapier, herunder genbaseret medicin, fra at nå deres mål.

Hans holds eksperimenter med slim i luftvejene og små dyr, Suk tilføjer, blev designet som et proof-of-concept-studie, der viser, at placering af korrigerende eller erstatningsgener eller lægemidler inde i en menneskeskabt bionedbrydelig nanopartikel-"indpakning", som patienter inhalerer, kunne trænge ind i slimbarrieren og en dag blive brugt til at behandle alvorlige lungesygdomme. Hvad mere er, fordi en enkelt dosis teoretisk set kan vare i flere måneder, patienter vil opleve færre bivirkninger, der er fælles for lægemidler, der skal tages regelmæssigt over længere tid.

Suk siger, at deres arbejde med nanopartikler voksede ud af mislykkede bestræbelser på at levere behandlinger til mennesker med lungesygdomme. Hos patienter med CF, for eksempel, de oplever en ophobning af overskydende slim forårsaget af nedsat ciliær slag, resulterer i en ideel grobund for kronisk bakteriel infektion og betændelse. Denne patogene proces forværrer ikke kun patienternes livskvalitet – og sætter ofte patienter i livstruende situationer – men den gør også slim i luftvejene sværere at overvinde med inhalerede terapeutiske nanopartikler.

De fleste af de eksisterende lægemidler til CF hjælper med at fjerne infektioner, men løser ikke sygdommens underliggende problemer. Et par nyligt godkendte lægemidler designet til at målrette den underliggende årsag til CF kræver daglig behandling i hele livet og kan kun gavne en underpopulation af patienter med specifikke typer mutationer. Men denne undersøgelse, Suk noter, har vist, at levering af normale kopier af CF-relaterede gener eller korrigerende gener via de slimgennemtrængende DNA-ladede nanopartikler kunne mediere produktion af normale, "funktionelle" proteiner på lang sigt. Dette kan i sidste ende blive en effektiv terapi for patienters lunger, uanset mutationstypen.

Til dato, ingen har været i stand til at finde ud af, hvordan man effektivt leverer disse gener til lungerne, Suk siger, bemærker, at eksperimenter med deaktiverede vira til at bære dem har vist sig ineffektive og dyre, og potentielt kan føre til alvorlige bivirkninger. I øvrigt, kroppen kunne udvikle resistens over for disse virusbaserede leveringssystemer, hvilket gør leveringsmekanismen uklar.

Alternativt mange ikke -virale, syntetiske systemer er blevet testet bredt. Imidlertid, tidligere forskning havde vist, at de fleste af de ikke-virale, DNA-ladede nanopartikler har positiv ladning, der fik dem til at adhærere til negativt ladede biologiske miljøer, i dette tilfælde slim, der dækker lunge luftveje. Med andre ord, konventionelle nanopartikler er for klæbrige til at undgå uønskede interaktioner uden for mål under deres rejse mod målcellerne. Yderligere, disse partikler har en tendens til hurtigt at aggregeres under fysiologiske forhold, gør dem for store til at trænge ind i masken af ​​luftvejsslim.

For sit design, holdet udviklede en simpel metode til tæt belægning af nanopartiklerne med en ikke-klæbende polymer kaldet PEG, neutraliserede ladningen og skabte et ikke-klæbende ydre. De viste, at disse nanopartikler bibeholdt deres størrelse i et fysiologisk miljø og er i stand til hurtigt at trænge ind i menneskelige luftvejsslim, frisk opsamlet fra patienter, der besøger Johns Hopkins Adult Cystic Fibrosis Program instrueret af Michael Boyle, medforfatter til papiret. Teamet gjorde også hele leveringssystemet biologisk nedbrydeligt, så det ikke ville bygge op inde i kroppen.

For at teste, om systemet giver effektiv genoverførsel til dyrs lunger, forskerne pakkede dem med et gen, der laver lys-genererende proteiner, når de først leveres ind i målcellerne. De påviste, at inhaleret levering af generne via de slimgennemtrængende nanopartikler resulterede i udbredt produktion af proteinet til niveauer, der er overlegne i forhold til guldstandarden, ikke-virale platforme, inklusive et klinisk testet system. Ud over, de viste, at de behandlede lunger lyste op i op til fire måneder efter en enkelt dosering.

"Med én dosis, du kan få genekspression - dvs. produktion af terapeutiske proteiner - i flere måneder, "Suk siger, tilføjer, at nanopartiklerne ikke så ud til at vise nogen negative virkninger, såsom øget lungebetændelse.

Suk og hans team advarer om, at flere dyreforsøg er nødvendige for at bekræfte og forfine deres proof-of-concept undersøgelse, og at behandling af menneskelige lidelser med nanoindpakkede terapier er år væk.