Ingeniører skaber nanopartikler, der leverer genredigeringsværktøjer til specifikke væv og organer

Et af de mest bemærkelsesværdige nyere fremskridt inden for biomedicinsk forskning har været udviklingen af ​​meget målrettede genredigeringsmetoder såsom CRISPR, der kan tilføje, fjerne, eller ændre et gen i en celle med stor præcision. Metoden er allerede ved at blive afprøvet eller brugt til behandling af patienter med seglcelleanæmi og kræftformer som myelomatose og liposarkom, og i dag, dets skabere Emmanuelle Charpentier og Jennifer Doudna modtog Nobelprisen i kemi.

Mens genredigering er bemærkelsesværdigt præcis i at finde og ændre gener, der er stadig ingen måde at målrette behandlingen til bestemte steder i kroppen. De hidtil testede behandlinger involverer fjernelse af blodstamceller eller immunsystemets T-celler fra kroppen for at modificere dem, og derefter infundere dem tilbage i en patient for at genbefolke blodbanen eller rekonstituere et immunrespons - en dyr og tidskrævende proces.

Bygger på resultaterne af Charpentier og Doudna, Tufts-forskere har for første gang udtænkt en måde til direkte at levere genredigeringspakker effektivt hen over blod-hjernebarrieren og ind i specifikke områder af hjernen, ind i immunsystemets celler, eller til specifikke væv og organer i musemodeller. Disse applikationer kunne åbne op for en helt ny strategi inden for behandling af neurologiske tilstande, samt kræft, smitsom sygdom, og autoimmune sygdomme.

Et team af Tufts biomedicinske ingeniører, ledet af lektor Qiaobing Xu, søgte at finde en måde at pakke genredigerings"sættet", så det kunne injiceres for at udføre sit arbejde inde i kroppen på målrettede celler, i stedet for i et laboratorium.

De brugte lipid-nanopartikler (LNP'er) - små "bobler" af lipidmolekyler, der kan omslutte redigeringsenzymerne og føre dem til specifikke celler, væv, eller organer. Lipider er molekyler, der inkluderer en lang kulstofhale, hvilket hjælper med at give dem en "fedtet" konsistens, og et hydrofilt hoved, som tiltrækkes af et vandigt miljø.

Der er også typisk et nitrogen, svovl, eller iltbaseret forbindelse mellem hoved og hale. Lipiderne arrangerer sig omkring boblenanopartiklerne med hovederne vendt udad og halerne vendt indad mod midten.

Xus team var i stand til at modificere overfladen af ​​disse LNP'er, så de til sidst kan "klæbe" til bestemte celletyper, smelter sammen med deres membraner, og frigiver de genredigerende enzymer i cellerne for at udføre deres arbejde.

At lave en målrettet LNP kræver noget kemisk håndværk.

Ved at skabe en blanding af forskellige hoveder, haler, og linkere, forskerne kan screene - først i laboratoriet - en lang række kandidater for deres evne til at danne LNP'er, der er målrettet mod specifikke celler. De bedste kandidater kan derefter testes i musemodeller, og yderligere modificeret kemisk for at optimere målretning og levering af de genredigerende enzymer til de samme celler i musen.

"Vi skabte en metode omkring at skræddersy leveringspakken til en bred vifte af potentielle terapier, herunder genredigering, " sagde Xu. "Metoderne trækker på kombinatorisk kemi, der bruges af den farmaceutiske industri til at designe selve lægemidlerne, men i stedet anvender vi tilgangen til at designe komponenterne i leveringskøretøjet."

I en genial smule kemisk modellering, Xu og hans team brugte en neurotransmitter i spidsen af ​​nogle lipider til at hjælpe partiklerne med at krydse blod-hjerne-barrieren, som ellers ville være uigennemtrængelige for molekylesamlinger så store som en LNP.

Evnen til sikkert og effektivt at levere lægemidler over barrieren og ind i hjernen har været en langvarig udfordring i medicin. I en første, Xus laboratorium leverede et helt kompleks af messenger-RNA'er og enzymer, der udgør CRISPR-sættet, til målrettede områder af hjernen hos et levende dyr.

Nogle små modifikationer af lipidlinkerne og -halerne hjalp med at skabe LNP'er, der kunne levere det lille molekyle svampedræbende lægemiddel amphotericin B (til behandling af meningitis) til hjernen og et DNA-fragment, der binder til og lukker ned for genet, der producerer tau-proteinet forbundet med Alzheimers. sygdom.

For nylig, Xu og hans team har skabt LNP'er til at levere genredigeringspakker til T-celler i mus. T-celler kan hjælpe med produktionen af ​​antistoffer, ødelægge inficerede celler, før vira kan replikere og sprede sig, og regulere og undertrykke andre celler i immunsystemet.

De LNP'er, de skabte, smelter sammen med T-celler i milten eller leveren - hvor de typisk opholder sig - for at levere det genredigerende indhold, som så kan ændre T-cellens molekylære sammensætning og adfærd. Det er et første skridt i processen med ikke kun at træne immunsystemet, som man kunne gøre med en vaccine, men faktisk konstruerer det til bedre at bekæmpe sygdom.

Xus tilgang til redigering af T-celle-genomer er meget mere målrettet, effektiv, og sandsynligvis vil være sikrere end metoder, der hidtil er prøvet ved at bruge vira til at modificere deres genom.

"Ved at målrette mod T-celler, vi kan udnytte en gren af ​​immunsystemet, der har en enorm alsidighed til at bekæmpe infektioner, beskytte mod kræft, og modulerende inflammation og autoimmunitet, " sagde Xu.

Xu og hans team undersøgte yderligere mekanismen, hvormed LNP'er kan finde vej til deres mål i kroppen. I forsøg rettet mod celler i lungerne, de fandt ud af, at nanopartiklerne opsamlede specifikke proteiner i blodbanen efter injektion.

Proteinerne, nu inkorporeret i overfladen af ​​LNP'erne, blev hovedkomponenten, der hjalp LNP'erne med at holde fast i deres mål. Disse oplysninger kan hjælpe med at forbedre designet af fremtidige leveringspartikler.

Mens disse resultater er blevet påvist i mus, Xu advarede om, at flere undersøgelser og kliniske forsøg vil være nødvendige for at bestemme effektiviteten og sikkerheden af ​​leveringsmetoden hos mennesker.