Nanospears leverer genetisk materiale til celler med stor nøjagtighed

UCLA-forskere har udviklet en ny metode, der anvender mikroskopiske splinterlignende strukturer kaldet "nanospears" til målrettet levering af biomolekyler såsom gener direkte til patientceller. Disse magnetisk styrede nanostrukturer kunne muliggøre genterapier, der er sikrere, hurtigere og mere omkostningseffektiv.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano af seniorforfatter Paul Weiss, UC præsidentkandidat og anerkendt professor i kemi og biokemi, materialevidenskab og teknik, og medlem af Eli og Edythe Broad Center for Regenerativ Medicin og Stamcelleforskning ved UCLA.

Genterapi, processen med at tilføje eller erstatte manglende eller defekte gener i patientceller, har vist meget lovende som behandling for en lang række sygdomme, herunder hæmofili, muskeldystrofi, immundefekter og visse former for kræft.

Nuværende genterapitilgange er afhængige af modificerede vira, eksterne elektriske felter eller barske kemikalier til at trænge ind i cellemembraner og levere gener direkte til patientceller. Hver af disse metoder har sine egne mangler; de kan være dyre, ineffektive eller forårsage uønsket stress og toksicitet for celler.

For at overvinde disse barrierer, Weiss og Dr. Steven Jonas, en klinisk fellow i UCLA Broad Stem Cell Research Center Training Program, ledet et forskerhold, der designede nanospyd bestående af silicium, nikkel og guld. Disse nanospyd er biologisk nedbrydelige, kan masseproduceres billigt og effektivt, og, på grund af deres uendelig lille størrelse - deres spidser er omkring 5, 000 gange mindre end diameteren af ​​en hårstrå – de kan levere genetisk information med minimal indvirkning på cellernes levedygtighed og stofskifte.

Jonas sammenlignede den banebrydende metode til levering af biomolekyler med leveringsmetoder i den virkelige verden, der dukkede op i horisonten.

"Ligesom vi hører om Amazon, der ønsker at levere pakker direkte til dit hus med droner, vi arbejder på en nanoskala, der svarer til det for at levere vigtige sundhedspakker direkte til dine celler, " forklarede Jonas, som er under uddannelse i afdelingen for pædiatrisk hæmatologi/onkologi på UCLA Mattel Children's Hospital. I den nærmeste fremtid, Jonas håber at kunne anvende nanoteknologi til at implementere celle- og genterapier hurtigt og bredt til de pædiatriske cancerpatienter, han behandler.

Konstruktionen af ​​nanospyd var inspireret af deres samarbejdspartneres arbejde, Hsian-Rong Tseng, professor i molekylær og medicinsk farmakologi, og Xiaobin Xu, en postdoc i Weiss' tværfaglige forskningsgruppe. Tseng og Xu er begge medforfattere af undersøgelsen.

"Baseret på Xiaobins nanoproduktionsarbejde, vi vidste, hvordan man laver nanostrukturer af forskellige former i massivt antal ved hjælp af simple fremstillingsstrategier, " sagde Weiss, som også er medlem af California NanoSystems Institute. "Da vi først havde det i hånden, vi indså, at vi kunne lave præcise strukturer, der ville være værdifulde i genterapier."

Weiss og Jonas er ikke de første til at tænke på at bruge guidede nanostrukturer eller robot-"nanomotorer" til at forbedre genterapier, eksisterende metoder har imidlertid begrænset præcision og kræver potentielt giftige kemikalier for at drive strukturerne til deres mål.

Ved at belægge deres nanospyd med nikkel, Weiss og Jonas eliminerede behovet for kemiske drivmidler. En magnet kan holdes i nærheden af ​​en laboratoriefad, der indeholder celler for at manipulere retningen, position og rotation af et eller mange nanospyd. I fremtiden, Weiss og Jonas forestiller sig, at et magnetfelt kan påføres uden for den menneskelige krop for at lede nanospyd fjernt inde i kroppen for at behandle genetiske sygdomme.

Weiss og Jonas testede deres nanospears som vehikler for et gen, der får celler til at producere et grønt fluorescerende protein. Omkring 80 procent af målrettede celler udviste en lys grøn glød, og 90 procent af disse celler overlevede. Begge tal er en markant forbedring af eksisterende leveringsstrategier.

Ligesom genterapi, mange former for immunterapi – en proces, hvor patientspecifikke immunceller er gensplejset til at genkende og angribe kræftceller – er afhængige af dyre eller tidskrævende behandlingsmetoder.

"Den største barriere lige nu for at få enten en genterapi eller en immunterapi til patienter er behandlingstiden, " sagde Jonas. "Nye metoder til at generere disse terapier hurtigere, effektivt og sikkert vil fremskynde innovation på dette forskningsområde og bringe disse behandlinger til patienter hurtigere, og det er det mål, vi alle har."

Weiss og Jonas har samarbejdet med UCLA-forskere for at optimere leveringen af ​​genterapistrategier, der længe har været undervejs.

"En af de fantastiske ting ved at arbejde på UCLA er, at for hver af de målrettede sygdomme, vi samarbejder med førende klinikere, der allerede har genterapi under udvikling, " sagde Weiss. "De har den genredigerende last, model celler, dyremodeller og patientceller på plads, så vi er i stand til at optimere vores nanosystemer på metoder, der er på vej til klinikken."