Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Forskere rapporterer om at opklare immungenkendelsen af ​​nukleinsyrenanopartikler

Immunrespons på nukleinsyrenanopartikler giver et potentielt 'alfabet' til kommunikation med immunsystemets celler. Kredit:Gengivet med tilladelse fra Nano Lett . 2018, 18 (7), 4309-4321. Copyright 2018 American Chemical Society.

Et omfattende eksperiment, der testede immunvirkningerne af en bred gruppe af laboratoriedesignede nukleinsyrenanopartikler, fandt ikke en stærk, ensartet immunrespons, som var forudsagt. I stedet, testene fandt varierende og specifikke reaktioner fra forskellige immunceller, afhængigt af hver partikels form og formulering, et fund, der kan tilskynde til yderligere undersøgelse af partiklernes terapeutiske anvendelse.

Ud over, forskerne mener, at de muligvis har opdaget et "hjælpesystem" til styring af immunrespons - et molekylært "alfabet" til kommunikation med det menneskelige immunsystem.

Resultaterne blev for nylig rapporteret af Enping Hong, Ankit Shah, og Marina Dobrovolskaia fra Frederick Laboratory for Cancer Research, Emil Khisamutdinov fra Ball State University og Justin Halman og Kirill Afonin fra University of North Carolina i Charlotte i tidsskriftet Nano bogstaver .

Ideen har eksisteret et stykke tid om, at udvalgte segmenter af RNA eller DNA kunne bruges terapeutisk - terapeutiske nukleinsyrer - til at påvirke gen- eller cellefunktion. Desværre, i kliniske forsøg har de fleste af disse foreslåede terapeutiske molekyler vist sig at have en ekstrem bivirkning - de fremkaldte en stærk, ofte dødelig reaktion fra menneskekroppens immunceller.

For nylig, nanoteknologer har foreslået at designe selvsamlende nanopartikler med de potentielt terapeutiske RNA- eller DNA-sekvenser, kombinere virkningerne af flere sekvenser til et målrettet lægemiddel, giver flere effekter i en enkelt partikel, formet til forskellige designerformer - firkanter, trekanter, terninger, og andre strukturer. Disse potentielt kraftfulde terapeutiske partikler har dog været langsomme til at blive testet, fordi forskere har teoretiseret, at de sandsynligvis ville have de samme "immuntoksiske" virkninger som de naturlige nukleinsyrefragmenter.

Imidlertid, nogle nanoforskere stillede spørgsmålstegn ved, om de forventede immunreaktioner nødvendigvis ville være tilfældet på grund af kompleksiteten ved immunsystemgenkendelse og unikke egenskaber skabt ved at samle traditionelle materialer i nanopartikler af forskellige former og strukturer.

"Selvom nukleinsyrenanopartikler er sammensat af komponenter med kendt immunologisk toksicitet, når du kombinerer dem og omformulerer dem, nanoformuleringen bliver et helt andet dyr, "sagde Afonin, en af ​​papirets tilsvarende forfattere.

"Vores resultater viste, at mens nogle af forudsigelserne var korrekte, mange tog helt fejl, "bemærkede Afonin." Du kan ikke forudsige immunotoksiciteten af ​​nukleinsyrenanopartikler udelukkende ved at analysere svarene på naturligt producerede DNA'er og RNA'er. Vi kom med nogle uventede resultater. "

For at teste partiklernes immunotoksicitet og måske finde spor for mekanismerne, der er involveret i immuncellerespons, Afonin og hans kolleger valgte et "bibliotek" med 25 forskellige DNA- eller RNA -nukleinsyrenanopartikler designet af forskere inden for området, omhyggeligt valgt for at "adressere alle mulige forbindelser" mellem deres molekylære egenskaber og immunreaktioner. Biblioteket inkluderede en repræsentativ prøveudtagning af plane (flade), kugleformede og fibrøse (snorlignende) partikler, med forskellige størrelser og molekylvægte, såvel som forskellige i en række kritiske kemiske egenskaber. Partiklerne blev introduceret til immunceller (perifere mononukleære celler) fra blodet fra 60 unikke humane donorer og monitoreret for produktion af 29 forskellige cytokiner.

Detaljerne i resultaterne var afslørende vedrørende partiklernes immunotoksicitet, fordi immunresponset varierede. Men resultaterne afslørede også oplysninger om forskellige adfærd for forskellige immunceller.

Et grundlæggende fund var, at "nøgne" nukleinsyrenanopartikler (uden tilknytning til andre biologiske molekyler) slet ikke forårsagede nogen immunrespons - fordi, holdet fandt, i modsætning til naturligt forekommende fragmenter af DNA eller RNA, de konstruerede partikler kunne ikke komme ind i nogen immuncelle uden en slags "bærermolekyler", der tillod deres indtræden. Effektivt, almindelige nukleinsyrenanopartikler er "usynlige" for det menneskelige immunsystem.

Når partiklerne var parret med et bærermolekyle, imidlertid, de var i stand til at komme ind i cellerne, og fremkaldte klare svar, som forskerne håbede. "Spørgsmålet er, når vi sender denne partikel inde i den menneskelige celle, hvad gør cellen, især immuncellen, gøre? "undrede Afonin." Ser den en bestemt form som en trussel? "

Resultaterne viser, at partikelstørrelse, form, 3D-struktur (terninger, for eksempel, sammenlignet med plane firkanter), DNA- eller RNA -sammensætning, og den kemiske karakter af, hvordan partiklerne blev samlet ("konnektivitet"), havde alle særprægede virkninger på immunrespons, og på hvilke immunceller reagerede.

Blandt de afdækkede detaljer var konstateringen af, at partikler sammensat af DNA havde en tendens til at forårsage mindre immunrespons end RNA. RNA rings (flat structures) and RNA fibers caused less immune response than RNA cubes (globular structures). In further detail, DNA cubes induced the cytokine production of type I interferons alpha and omega, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, and eventually, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, for eksempel.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."


Varme artikler