Rød glød hjælper med at identificere nanopartikler til levering af RNA-terapier

En ny screeningsproces kunne dramatisk accelerere identifikationen af ​​nanopartikler, der er egnede til at levere terapeutisk RNA til levende celler. Teknikken ville give forskere mulighed for at screene hundredvis af nanopartikler ad gangen, at identificere de organer, hvori de akkumuleres - og verificere, at de med succes kan levere en RNA-ladning ind i levende celler.

Baseret på arbejde kendt som "DNA-stregkodning, "teknikken indsætter unikke DNA-stykker i så mange som 150 forskellige nanopartikler til samtidig test. Nanopartiklerne injiceres derefter i dyremodeller og får lov til at rejse til organer som leveren, milt eller lunger. Genetiske sekventeringsteknikker identificerer derefter, hvilke DNA-mærkede nanopartikler der har nået specifikke organer.

I et papir offentliggjort 1. oktober i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , et forskerhold beskriver at tage processen et skridt videre for at verificere, at nanopartiklerne er kommet ind i cellerne i de specifikke organer. Ud over DNA-stregkoden, forskerne indsatte i hver nanopartikel et udsnit af mRNA, der omdannes til et protein kendt som "Cre". Cre-proteinet genererer en rød glød, identificere celler, som nanopartiklerne er kommet ind i og med succes leveret mRNA-lægemidlet, giver forskerne mulighed for at identificere, hvilke nanopartikler der kan levere RNA-lægemidler til cellerne i de specifikke organer.

"Denne teknik, kendt som Fast Indication of Nanoparticle Discovery (FIND), vil give os mulighed for at identificere den rigtige transportør langt hurtigere og billigere, end vi har været i stand til at gøre tidligere, " sagde James E. Dahlman, assisterende professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University. "Som resultat, oddsene for, at vi vil være i stand til at finde bærere til specifikke væv, bør stige dramatisk."

FIND-teknikken ville erstatte in vitro-screening, som har begrænset succes med at identificere nanopartikelbærere til de genetiske terapier. Forskningen blev støttet af finansiering fra National Institutes of Health, og fra Cystic Fibrosis Research Foundation, Parkinson's Disease Foundation og Bayer Hemophilia Awards Program.

Terapi baseret på RNA og DNA kan behandle en bred vifte af genetisk baserede sygdomme, herunder åreforkalkning, hvor sådanne terapier kan være i stand til at vende opbygningen af ​​plak i arterierne. Nanopartikler, der bruges til at levere RNA og DNA til celler, er lavet af flere ingredienser, hvis niveauer kan varieres, skabe potentiale for titusindvis af forskellige nanopartikler. At finde den rigtige kombination af disse ingredienser til at målrette specifikke celler har krævet omfattende forsøg og fejl opdagelsesprocesser, der har begrænset brugen af ​​RNA- og DNA-terapier.

Brug af DNA-stregkodningsprocessen gør det muligt at teste hundredvis af mulige nanopartikelkombinationer samtidigt i et enkelt dyr, men indtil nu, forskere kunne kun fortælle, at kombinationen havde nået bestemte organer. Ved at undersøge hvilke celler i organerne der har den røde glød, de kan nu verificere, at nanopartiklerne bar stregkoderne og leverede funktionelle mRNA-lægemidler ind i cellerne.

I avisen, forskerne rapporterer, at de opdagede to nanopartikler, der effektivt leverede siRNA, sgRNA og mRNA til endotelceller i milten. Forskerne mener, at deres teknik kan levere terapeutisk RNA og DNA til en bred vifte af endotelcelletyper, og måske også til immunsystemet og andre celletyper.

"Feltet har været i stand til funktionelt at levere genetiske lægemidler til leveren, og vi forsøger nu at bruge vores teknologi til at levere til forskellige organer og celletyper for at muliggøre behandlinger til at behandle alle de celletyper, der er i leveren, " sagde Cory Sago, avisens første forfatter og en ph.d. kandidat i Dahlmans laboratorium. "Nu hvor vi har et system, der giver os mulighed for at undersøge disse spørgsmål på et meget specifikt opløsningsniveau, vi vil nu gå efter andre celletyper på en mere effektiv måde."

Dahlman forventer at tage den nye teknologi i brug hurtigt.

"Vi håber at tage projekter, der normalt ville tage årevis, og afslutte flere af dem inden for de næste 12 måneder, " sagde han. "FIND kunne bruges til at transportere alle mulige nukleinsyrelægemidler ind i cellerne. Det kunne omfatte små RNA'er, store RNA'er, små DNA'er og store DNA'er - mange forskellige typer genetiske lægemidler, der nu udvikles i forskningslaboratorier."

Tekniske udfordringer forude omfatter at demonstrere, at identifikation af en affinitet for museorganer forudsiger, hvilke partikler der vil virke i den menneskelige krop, og at tilgangen virker for forskellige klasser af genetiske terapier.

Eksperimentelt, Dahlmans laboratorium producerer nanopartiklerne på tre formuleringsstationer, der kræver omkring 90 sekunder at producere hver af de omkring 250 anvendte prøver. De resulterende nanopartikler undersøges derefter for korrekt størrelsesområde - 40 til 80 nanometer i diameter - før de renses og steriliseres til injektion i dyrene.

Efter tre dage, forskerne adskiller celler, der lyser rødt, og sekvenserer DNA-stykkerne i dem for at identificere, hvilke kemiske sammensætninger der var mest succesrige til at trænge ind i celler i specifikke organer. De mest lovende kemiske sammensætninger bruges til at udvikle en ny batch af kandidat-nanopartikler til en ny runde af screening, som tager omkring en uge at gennemføre.

"Vi ønsker at udvikle de bedste partikler, vi kan, " sagde Sago. "Hver enkelt af komponenterne betyder noget, og vi arbejder på at få hver komponent til at passe til den celletype, som vi er interesseret i. Der kræves en masse optimering."