Små kapsler tilbyder alternativ til viral levering af genterapi

Nye værktøjer til redigering af genetisk kode giver håb om nye behandlinger for arvelige sygdomme, nogle kræftformer, og endda genstridige virusinfektioner. Men den typiske metode til at levere genterapi til specifikke væv i kroppen kan være kompliceret og kan forårsage bekymrende bivirkninger.

Forskere ved University of Wisconsin-Madison har behandlet mange af disse problemer ved at pakke en genredigerende nyttelast ind i en lille, tilpasselig, syntetisk nanokapsel. De beskrev leveringssystemet og dets last i dag (9. september, 2019) i bladet Natur nanoteknologi .

"For at redigere et gen i en celle, redigeringsværktøjet skal leveres inde i cellen sikkert og effektivt, " siger Shaoqin "Sarah" Gong, en professor i biomedicinsk teknik og efterforsker ved Wisconsin Institute for Discovery ved UW-Madison. Hendes laboratorium har specialiseret sig i at designe og bygge nanoskala leveringssystemer til målrettet terapi.

"At redigere det forkerte væv i kroppen efter at have indsprøjtet genterapier er af stor bekymring, " siger Krishanu Saha, også en UW-Madison biomedicinsk ingeniørprofessor og styregruppe medformand for et landsdækkende konsortium om genomredigering med $190 millioner i støtte fra National Institutes of Health. "Hvis reproduktive organer utilsigtet redigeres, så ville patienten videregive genredigeringerne til deres børn og hver efterfølgende generation."

Det meste genomredigering udføres med virale vektorer, ifølge Gong. Vira har milliarder af års erfaring med at invadere celler og co-optage cellens eget maskineri til at lave nye kopier af virussen. I genterapi, vira kan ændres til at bære genom-redigeringsmaskineri snarere end deres egne virale gener ind i celler. Redigeringsmaskineriet kan derefter ændre cellens DNA til, sige, rette et problem i den genetiske kode, der forårsager eller bidrager til sygdom.

"Virale vektorer er attraktive, fordi de kan være meget effektive, men de er også forbundet med en række sikkerhedsproblemer, herunder uønskede immunresponser, " siger Gong.

Nye cellemål kan også kræve besværlige ændringer af virale vektorer, og fremstilling af skræddersyede virale vektorer kan være kompliceret.

"Det er meget svært - hvis ikke umuligt - at tilpasse mange virale vektorer til levering til en bestemt celle eller væv i kroppen, " siger Saha.

Gongs laboratorium belagt en genterapi-nyttelast – nemlig, en version af genredigeringsværktøjet CRISPR-Cas9 med guide-RNA designet i Sahas laboratorium - med en tynd polymerskal, hvilket resulterer i en kapsel på omkring 25 nanometer i diameter. Nanokapslens overflade kan dekoreres med funktionelle grupper såsom peptider, der giver nanopartiklerne mulighed for at målrette bestemte celletyper.

Nanokapslen forbliver intakt uden for cellerne - i blodbanen, for eksempel - kun for at falde fra hinanden inde i målcellen, når den udløses af et molekyle kaldet glutathion. Den frigjorte nyttelast bevæger sig derefter til kernen for at redigere cellens DNA. Nanokapslerne forventes at reducere uplanlagte genetiske ændringer på grund af deres korte levetid inde i en celles cytoplasma.

Dette projekt er et samarbejde, der kombinerer UW-Madison ekspertise inden for kemi, ingeniørarbejde, biologi og medicin. Pædiatri- og oftalmologiprofessor Bikash R. Pattnaik og komparativ biovidenskabsprofessor Masatoshi Suzuki og deres teams arbejdede på at demonstrere genredigering i museøjne og skeletmuskler, henholdsvis, ved hjælp af nanokapslerne.

Fordi nanokapslerne kan frysetørres, de kan nemt renses, opbevaret, og transporteres som et pulver, samtidig med at den giver fleksibilitet til dosiskontrol. Forskerne, med Wisconsin Alumni Research Foundation, har anmeldt patent på nanopartiklerne.

"Den lille størrelse, overlegen stabilitet, alsidighed i overflademodifikationer, og høj redigeringseffektivitet af nanokapslerne gør dem til en lovende platform for mange typer genterapier, " siger Gong.

Holdet sigter mod yderligere at optimere nanokapslerne i løbende forskning for effektiv redigering i hjernen og øjet.