Ny farvekodet test afslører hurtigt, om medicinske nanopartikler har leveret deres nyttelast

Johns Hopkins Medicine-forskere har udviklet en farvekodet test, der hurtigt signalerer, om nyudviklede nanopartikler - ultrasmå rum designet til at transportere medicin, vacciner og andre terapier - leverer deres last ind i målcellerne. Historisk set har nanopartikler en meget lav leveringshastighed til cytosolen, det indvendige rum af celler, og frigiver kun omkring 1%-2% af deres indhold. Det nye testværktøj, der er udviklet specifikt til at teste nanopartikler, kunne fremme søgningen efter næste generations biologiske lægemidler. Teknologien bygger på nanopartikler, der i øjeblikket anvendes mod kræft og øjensygdomme, og i vacciner mod vira, herunder SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19.

Forskerne rapporterer detaljer om værktøjet, testet i museceller dyrket i laboratoriet og i levende mus, i 5. januar-udgaven af ​​Science Advances .

"Mange af de nuværende vurderingsværktøjer for nanopartikler tester kun, om en nanopartikel når en celle, ikke om terapien med succes kan undslippe det nedbrydende miljø i endosomet for at nå ind i cellens cytosol, som er der, hvor medicinen skal placeres for ydeevne," siger Jordan Green, Ph.D., professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Johns Hopkins University School of Medicine. Det nye værktøj blev skabt til at spore placering og frigivelse af nanopartikler, sagde han.

Tidligere forskning har anslået, at kun omkring 1%-2% af nanopartikler "spist" af celler er i stand til at undslippe de cellulære rum, der fanger dem for at undgå at blive fordøjet eller "spyttet ud igen." Ud over egenskaberne ved dens last bestemmer en nanopartikels kemiske egenskaber, om den accepteres af en celle og er i stand til at undvige dens cellulære forsvar.

For at overvinde sådanne forhindringer for den endelige levering har Green og hans team designet et screeningsværktøj, der vurderer hundredvis af nanopartikelformuleringer på deres evne til ikke bare at nå en celle, men også hvor effektivt nanopartiklerne kan undslippe med sin last for at nå en celles indre.

Testen bruger museceller, der er dyrket i laboratoriet, og som er gensplejset til at bære en fluorescerende markør kaldet Gal8-mRuby, som skinner orangerødt, når en cellulær konvolut, der opsluger en nanopartikel, åbner sig og frigiver sin last ind i cellen.

Billeder af processen analyseres derefter af et computerprogram, der hurtigt sporer nanopartiklernes placering ved hjælp af rødt fluorescerende lys og kvantificerer, hvor effektive nanopartiklerne er til at blive frigivet ind i cellen ved at vurdere mængden af ​​orange-rødt fluorescerende lys. Ved hjælp af denne teknik kan et laboratorium screene hundredvis af unikke nanopartikler til levering på få timer med detaljerede oplysninger om optagelsen af ​​nanopartiklerne og leveringen af ​​deres last.

I eksperimenter med mus administrerede Green og hans team bionedbrydelige nanopartikler, der bærer mRNA, der kodede for et gen kaldet luciferase, som får cellerne til at lyse. Forskerne sporede derefter, om musecellerne accepterede genet og begyndte at udtrykke det - oplyste målceller som et lyn.

Greens team fandt ud af, at de bedst præsterende nanopartikler i celletestene havde en høj positiv korrelation til nanopartikelgenleveringsydelse i levende mus, hvilket viser, at nanopartikelanalysen er en god forudsigelse for vellykket lastlevering.

I yderligere museundersøgelser opdagede forskerne, at forskellige kemiske gruppekombinationer i de polymerbaserede nanopartikler fik nanopartiklerne til at målrette mod forskellige vævstyper. Ved at analysere, hvordan partiklerne opførte sig i musens krop, fandt forskerne ud af, at polymerens kemiske egenskaber kunne lede nanopartikelgenterapien til specifikke målceller, såsom endotelceller i lungerne eller B-celler i milten.

"Ved at finjustere små kemiske ændringer kan vi styre en nanopartikel til specifikke væv og endda specifikke celler," sagde Green. "Dette ville give os mulighed for at udvikle mere præcist leverede behandlinger, som kunne forbedre både effektivitet og sikkerhed."

Nanopartikellevering af biologiske lægemidler er et voksende område, især for genterapier og vacciner.

Andre forskere involveret i undersøgelsen omfatter Yuan Rui, David R. Wilson, Stephany Y. Tzeng, Hannah M. Yamagata, Deepti Sudhakar, Cynthia A. Berlinicke og Donald J. Zack fra Johns Hopkins University School of Medicine; Marranne Conge fra Johns Hopkins University School of Medicine og Berea College; og Anthony Tuesca fra AstraZeneca. + Udforsk yderligere

Influenzavirusskaller kunne forbedre leveringen af ​​mRNA til celler