Ny screeningsteknik kan fremskynde og forbedre mRNA-behandlinger

Terapeutik baseret på messenger-RNA eller mRNA kan potentielt behandle en lang række sygdomme, herunder kræft, genetiske sygdomme, og som verden har lært i de senere år, dødelige vira.

For at virke skal disse lægemidler leveres direkte til målceller i nanoskala bobler af fedt kaldet lipid nanopartikler eller LNP'er - mRNA er ikke meget godt, hvis det ikke når den rigtige celletype.

Et team af forskere ved Georgia Institute of Technology og Emory University's School of Medicine har taget endnu et skridt i retning af at forbedre udviklingen af ​​disse specialfremstillede leveringskøretøjer og rapporterede deres arbejde den 30. juni i Nature Nanotechnology . Curtis Dobrowolski og Kalina Paunovska, praktikanter i James Dahlmans laboratorium, har udviklet et system til at gøre prækliniske nanopartikelundersøgelser mere forudsigelige. Deres opdagelser påvirker allerede forskningsretningen i dette voksende, konkurrenceprægede felt.

"Jeg er meget begejstret for denne undersøgelse og forventer at flytte de fleste af vores fremtidige projekter til denne metode," sagde Dahlman, lektor og McCamish Foundation Early Career Professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech and Emory.

Rækkefølge af begivenheder

I de sidste par år har Dahlman samarbejdet med Coulter BME-professor Philip Santangelo i en travl forskningsvirksomhed. Santangelos laboratorium udvikler mRNA-terapier, og Dahlmans laboratorium leverer det ved hjælp af LNP'er.

For at fremskynde processen med at teste effektiviteten af ​​deres LNP'er har Dahlmans team udviklet en teknik kaldet DNA-stregkodning. I denne proces indsætter forskerne et udsnit af DNA, der svarer til en given LNP. LNP'erne injiceres derefter, og cellerne undersøges efterfølgende for tilstedeværelsen af ​​"stregkoderne" ved hjælp af genetisk sekventering. Systemet identificerer hvilke stregkoder der har nået hvilke specifikke mål, og fremhæver de mest lovende nanopartikler. Da mange DNA-sekvenser kan læses på én gang, gør stregkodningsprocessen det muligt at udføre mange eksperimenter samtidigt, og derved accelerere opdagelsen af ​​effektive lipid-nanopartikelbærere.

DNA-stregkodning har væsentligt forbedret den prækliniske screeningproces for nanopartikler. Men der er stadig en betydelig barriere, der påvirker lægemiddellevering. På grund af deres mangfoldighed er celler lidt som bevægelige mål. Dahlman bemærkede, at celler, der tidligere blev anset for at være homogene, er sammensat af forskellige og varierede celleundergrupper. Hans team formodede, at denne kemiske og genetiske heterogenitet har en stærk indflydelse på, hvor godt LNP'er kan levere mRNA-terapier ind i cellerne.

"Celler har ikke kun ét protein, der definerer dem - de er komplicerede," sagde Dahlman. "De kan defineres af en kombination af ting, og hvis vi skal være ærlige, defineres de bedst ved hjælp af alle de gener, de gør eller ikke udtrykker."

For at teste deres hypotese udviklede forskerne et nyt værktøj til at måle alle disse ting på én gang. Deres multiomiske nanopartikelleveringssystem kaldes single-cell nanopartikel targeting-sequencing eller SENT-seq.

Multiomics-tilgang

Ved hjælp af SENT-seq var forskerne i stand til at kvantificere, hvordan LNP'er leverer DNA-stregkoder og mRNA til celler, den efterfølgende proteinproduktion lettet af mRNA-lægemidlet, såvel som cellens identitet, i tusindvis af individuelle celler.

Denne multiomics-tilgang kunne repræsentere et vigtigt spring fremad for high-throughput LNP-opdagelse. SENT-seq-teknikken gjorde det muligt for holdet at identificere celleundertyper, der demonstrerer særlig høj eller lav nanopartikeloptagelse, og generne forbundet med disse undertyper.

Så udover at teste effektiviteten af ​​et lægemiddel, og hvordan visse celleundertyper reagerer på nanopartikler, identificerer de, hvilke gener der er involveret i den vellykkede optagelse af LNP'er. Og de gør det hele på én gang.

"Dataene tyder på, at disse forskellige celleundergrupper har forskellige reaktioner på nanopartikler, der påvirker, hvor godt en mRNA-terapi virker," sagde Dahlman. "Der er stadig meget arbejde, der skal gøres, men vi tror, ​​at evnen til samtidig at udlæse high-throughput nanopartikellevering og den cellulære respons på nanopartikler vil føre til bedre mRNA-terapier."

Co-lead author Paunovska said that she and Dobrowolski came up with the idea for the SENT-seq system, "organically, after two months of working together."

Dahlman added:"I'm proud of the work that Curtis, Kalina, and the team did in the lab. I think this is the beginning of an extremely interesting phase in our work." + Udforsk yderligere

New system speeds screening of drug-delivering nanoparticles