DNA-stregkodning muliggør hurtig test af nanopartikler til terapeutisk levering

Ved at bruge små stykker DNA som "stregkoder, " forskere har udviklet en ny teknik til hurtigt at screene nanopartiklers evne til selektivt at levere terapeutiske gener til specifikke organer i kroppen. Teknikken kan accelerere udviklingen og brugen af ​​genterapier til sådanne dræbere som hjertesygdomme, kræft og Parkinsons sygdom.

Genetiske terapier, såsom dem lavet af DNA eller RNA, er svære at levere til de rigtige celler i kroppen. I de sidste 20 år, forskere har udviklet nanopartikler lavet af en bred vifte af materialer og tilføjet forbindelser såsom kolesterol for at hjælpe med at transportere disse terapeutiske midler ind i cellerne. Men den hurtige udvikling af nanopartikelbærere er løbet ind i en stor flaskehals:nanopartiklerne skal testes, først i cellekultur, før et meget lille antal nanopartikler testes på dyr. Med millioner af mulige kombinationer, at identificere den optimale nanopartikel til at målrette hvert organ var meget ineffektiv.

Ved at bruge DNA-strenge på kun 58 nukleotider lange, forskere fra University of Florida, Georgia Institute of Technology og Massachusetts Institute of Technology har udviklet en ny testteknik, der springer cellekulturtestningen helt over - og kunne tillade, at hundredvis af forskellige typer nanopartikler testes samtidigt i blot en håndfuld dyr.

Den oprindelige forskning blev udført i Robert Langers laboratorier, David H. Koch Instituttets professor, og Daniel Anderson, Samuel A. Goldsmith-professor i anvendt biologi, på MIT. Støttet af National Institutes of Health, undersøgelsen blev rapporteret 6. februar i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi ønsker på et meget højt niveau at forstå, hvilke faktorer, der påvirker nanopartikellevering, der er vigtige, " sagde James Dahlman, en assisterende professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech and Emory University, en af ​​Langers tidligere kandidatstuderende, hovedforfatter på undersøgelsen, og en af ​​avisens tilsvarende forfattere. "Denne nye teknik giver os ikke kun mulighed for at forstå, hvilke faktorer der er vigtige, men også hvordan sygdomsfaktorer påvirker processen."

For at forberede nanopartikler til test, forskerne indsætter et udsnit af DNA, der er tildelt hver type nanopartikel. Nanopartiklerne sprøjtes derefter ind i mus, hvis organer derefter undersøges for tilstedeværelse af stregkoderne. Ved at bruge de samme teknologier, som videnskabsmænd bruger til at sekventere genomet, mange nanopartikler kan testes samtidigt, hver identificeret med sin unikke DNA-stregkode.

Forskere er ikke kun interesserede i, hvilke nanopartikler, der leverer terapien mest effektivt, men også som kan levere dem selektivt til specifikke organer. Terapeutik rettet mod tumorer, for eksempel, bør kun leveres til tumoren og ikke til omgivende væv. Terapeutik til hjertesygdomme bør ligeledes selektivt ophobes i hjertet.

Mens meget af undersøgelsen var afsat til at demonstrere kontrolstrategier, forskerne testede, hvordan 30 forskellige partikler var fordelt i otte forskellige væv i en dyremodel. Dette nanopartikel rettet mod 'varmekort' viste, at nogle partikler slet ikke blev optaget, mens andre gik ind i flere organer. Testen omfattede nanopartikler, der tidligere har vist sig at selektivt trænge ind i lunger og lever, og resultaterne af den nye teknik var i overensstemmelse med, hvad der allerede var kendt om disse nanopartikler.

De enkeltstrengede DNA-stregkodesekvenser har omtrent samme størrelse som antisense-oligonukleotider, microRNA og siRNA udvikles til mulige terapeutiske anvendelser. Andre gen-baserede terapier er større, og yderligere forskning ville være nødvendig for at afgøre, om teknikken kunne bruges sammen med dem. I undersøgelsen rapporteret i denne uge, nanopartiklerne blev ikke brugt til at levere aktive terapeutiske midler, selvom det ville være et næste skridt på kort sigt.

"I det fremtidige arbejde, vi håber på at lave tusind partikler og i stedet for at evaluere dem tre ad gangen, vi håber på at teste et par hundrede samtidigt, " sagde Dahlman. "Nanopartikler kan være meget komplicerede, fordi for hvert tilgængeligt biomateriale, du kunne lave flere hundrede nanopartikler af forskellig størrelse og med forskellige komponenter tilføjet."

Når først lovende nanopartikler er identificeret med screeningen, de ville blive udsat for yderligere test for at verificere deres evne til at levere terapeutika. Ud over at fremskynde screeningen, den nye teknik kræver muligvis færre dyr - måske ikke mere end tre for hvert sæt af testede nanopartikler.

Der er et par forbehold med teknikken. For at undgå muligheden for, at nanopartikler smelter sammen, kun strukturer, der er stabile i vandige miljøer, kan testes. Kun ikke-toksiske nanopartikler kan screenes, og forskere skal kontrollere for potentiel inflammation genereret af det indsatte DNA.

I Langer og Andersons laboratorium, Dahlman arbejdede sammen med Kevin Kauffman, der forbliver på MIT, og Eric Wang, nu assisterende professor ved University of Florida. Andre medforfattere til papiret inkluderede Yiping Xing, Taylor Shaw, Faryal Mir og Chloe Dlott, som alle er på MIT.

"Nukleinsyreterapier har et betydeligt løfte til behandling af en række alvorlige sygdomme, " sagde Dahlman. "Vi håber, at denne teknik vil blive brugt bredt i marken, og at det i sidste ende vil bringe mere klarhed over, hvordan disse lægemidler påvirker celler - og hvordan vi kan få dem til de rigtige steder i kroppen."