Små bobler:Behandling af astma med gendæmpende nanokapsler

Steroidbaserede inhalatorer leverer livreddende medicin til millioner af astmapatienter, giver lindring og evnen til blot at trække vejret. Desværre, inhalatorer virker ikke for alle patienter, og med stigende rater for en sygdom, der fører til hundredtusindvis af dødsfald på verdensplan hvert år, nye astmabehandlinger og strategier er nødvendige.

Et team af UConn-forskere - inklusive assisterende professor i kemi ved College of Liberal Arts and Sciences Jessica Rouge og lektor i patobiologi ved College of Agriculture, Sundhed, og naturressourcer Steven Szczepanek - samarbejder om at udvikle nye astmaterapier ved hjælp af gendæmpende nanokapsler i et forsøg på at hjælpe patienter, der ikke har gavn af eksisterende behandlinger. Deres forskning blev offentliggjort i ACS Nano .

"Når man behandler astma, mange mennesker tænker på små molekyle anti-inflammatorisk medicin som vejen at gå, men der er masser af patienter med astma, som ikke reagerer på kortikosteroider, " siger Rouge. "Der er et udækket behov for at skabe forskellige terapier, der kan undertrykke astma for denne gruppe mennesker."

Rouges forskningsgruppe, herunder medforfattere ph.d. studerende Shraddha Sawant og Alyssa Hartmann '20 Ph.D., designer nanomaterialer og målrettede terapier, der leverer gendæmpende beskeder til celler. Dette papir beskriver en nukleinsyre nanokapsel (NAN) designet til selektivt at levere et enzym, kaldet et DNAzyme, at dæmpe en komponent af immunresponset, kaldet GATA-3, som fører til overekspression af immunkomponenter, der spiller en væsentlig rolle i allergiske astmaanfald.

Szczepanek forklarer, at der er forskellige typer astma, og denne teknologi er designet til at behandle allergisk astma specifikt, hvilket udgør omkring 50 % af tilfældene hos voksne og 90 % hos børn. GATA-3-baserede behandlinger viser allerede lovende i kliniske forsøg, og Rouge siger, at ved at parre sekvensen med nanoteknologi, de håber at give mere effektive metoder til levering og behandling direkte til kilden til betændelse.

"Når du bruger nanomaterialer, vi forsøger at administrere terapien på en måde, så vi kan bruge færre materialer for at få en større effekt, " siger Rouge.

Deres system er baseret på overfladeaktive stoffer, der samles til miceller, ligner små bobler, og sker i en trinvis proces, hvilket resulterer i, at hver enkelt er omkring 60 nanometer i størrelse.

"Først, vi syntetiserer noget, der kaldes et overfladeaktivt stof, det minder meget om sæbe og danner i det væsentlige en boble i nanoskala. Derefter ændrer vi overfladekemien af ​​denne boble, så den kan konjugere eller forbinde til DNA. Det næste skridt, og hvad der er unikt for vores laboratorium, bruger vi enzymer til at bygge det næste stykke til at vedhæfte DNA-sekvensen, der i det væsentlige spalter mRNA, der koder for GATA-3, " siger Rouge.

Nanokapslerne blev derefter karakteriseret og kontrolleret, om de kunne spalte nukleinsyremålcellelinjerne in vitro, og resultaterne var lovende.

"Vi viste, at disse gendæmpende sekvenser blev leveret effektivt ved hjælp af vores formulering, og vi så, at de slog genmålet af interesse ned. Det var et spændende første skridt, " siger Rouge.

Rouge bragte dataene til Szczepanek for at se, om hans forskergruppe, herunder medforfattere og kandidatstuderende Tyler Gavitt '21 Ph.D. og Arlind Mara '21 Ph.D., der studerer respiratoriske patogener og sygdomspatologi, ville være interesseret i at samarbejde om de næste trin i forskningen for at se, hvordan teknologien fungerede in vivo, og om den kunne være af klinisk relevans.

Efter at have studeret astma som en del af sin post-doktorale forskning, og med sit laboratorium udstyret til at tage de næste skridt, Szczepanek siger, at samarbejdet var en naturlig pasform.

"Jeg troede, at denne gendæmpningsteknologi var en fantastisk applikation til astmabehandling."

Forskerne testede GATA-3 DNAzyme-NAN-effektiviteten i en allergisk astmamusemodel, der er følsom over for husstøvmider. Resultaterne viste, at lungerne fra mus behandlet med NAN'erne havde mindre inflammatorisk skade sammenlignet med den ubehandlede kontrolgruppe. Behandlingen reducerede også tilstedeværelsen af ​​inflammatoriske immunceller, kaldet eosinofiler, som bidrager til luftvejsobstruktion (se sidebjælken).

"Ikke kun så vi en væsentlig reduktion af astmafænotyper i vores musemodel, men vi testede GATA-3 DNAzyme-NAN'erne i humane hvide blodlegemer og så både optagelse af nanopartikler og nedbrydning af ekspression af genet af interesse. Denne kombination af data gør mig virkelig håbefuld om nanopartiklernes translationelle potentiale for menneskers sundhed, " siger Szczepanek.

Rouge påpeger en anden vigtig detalje:"Generelt set, når vi putter nanopartikler i vores lunger, du tror måske, at de kan forårsage betændelse. Imidlertid, vi var virkelig begejstrede for, at ved doser, vi brugte, nanobæreren alene forårsagede ikke betændelse."

"Jeg tror på, at vores unikke nanokonstruktion har et stort løfte inden for oligonukleotidlevering, " siger Sawant. "Jeg er glad for at være en del af denne kollaborative forskning, da den markerer begyndelsen på udviklingen af ​​NAN'et som en effektiv in vivo nanobærer."

Rouge siger, at næste skridt er at forhåbentlig få NIH-midler til at fortsætte forskningen:"Vi vil gerne finde ud af, Hvor bliver disse nanokapsler af? Vi er nødt til at lave en biodistributionsundersøgelse og andre logiske næste skridt, som farmakokinetik og at bestemme, hvor længe disse terapeutika varer i en organisme."

Forskerne blev for nylig tildelt et patent på nanokapselformuleringen, og de håber at kommercialisere det. Szczepanek forklarer, at holdet forestiller sig, at til sidst, teknologien kunne leveres til patienten via en inhalator, ligesom nuværende astmamedicin er og, afhængig af præcis hvordan det er formuleret, at det kunne målrette mod aktiv inflammation eller fungere som en profylaktisk foranstaltning. Rouge tilføjer, at denne teknologi har potentialet til at kunne tilpasses.

"Det store tema er, at forskellige mennesker reagerer forskelligt på sygdomme generelt, så der er potentiale for personlig medicin. Vi ser mod et paradigmeskifte, fordi hvis du kender nogens genetik i form af intensiteten eller overekspressionen af ​​et bestemt gen, eller hvis det er opreguleret, vi kunne behandle det eller i det mindste deprimere det."

Hvad forårsager et astmaanfald?

Szczepanek forklarer, at allergisk astma opstår, når immunsystemet bliver sensibiliseret over for noget allestedsnærværende og generelt harmløst i miljøet, som husstøvmider.

"Sensibilisering skubber hukommelseskomponenten i vores T-celler ind i det, der kaldes en Th2-fænotype. T-celler er en del af vores adaptive immunsystem, der 'husker' tidligere eksponering for en stimulus, som vi var nødt til at montere en immunrespons imod. Normalt er disse bakterier og vira, hvilket er en god ting, da vi gerne vil huske patogener som influenza, for eksempel. Men det er ikke godt, når du opbygger et immunrespons mod støv, der er i luften hele tiden, fordi det kan føre til nogle ret alvorlige bivirkninger."

Resultater og sværhedsgrad varierer fra person til person, siger Szczepanek.

"Vi ser betændelse i luftvejene som følge af flere immunceller på vej ind i luftrummene, og det vil gøre luftvejene mindre. Disse celler aktiverer bægerceller i luftvejene, som er celler, der producerer slim, og når du hyperaktiverer disse bægerceller, du får tonsvis af slim ind i luftvejene, som allerede er betændt og derfor sammentrækkende. Det skaber mere og mere problemer og reducerer evnen for en astmatiker til at trække vejret under et astmaanfald. Og så til sidst, du får også bronkokonstriktion, hvilket sker, når laget af glat muskulatur, der omgiver lungernes bronkioler, trækker sig sammen. Det er et betydeligt folkesundhedsproblem, fordi en meget stor del af befolkningen er modtagelig for at udvikle astma."