Nanopartikel-leveret RNA reducerer neuroinflammation i laboratorietest

Nogle COVID-19-vacciner brugte sikkert og effektivt lipid-nanopartikler (LNP'er) til at levere messenger-RNA til celler. En ny MIT-undersøgelse viser, at forskellige nanopartikler kan bruges til en potentiel behandling af Alzheimers sygdom (AD). I test i flere musemodeller og med dyrkede humane celler leverede en nyligt skræddersyet LNP-formulering effektivt lille interfererende RNA (siRNA) til hjernens mikroglia-immunceller for at undertrykke ekspressionen af ​​et protein forbundet med overdreven inflammation i Alzheimers sygdom.

I en tidligere undersøgelse viste forskerne, at blokering af konsekvenserne af PU.1-proteinaktivitet hjælper med at reducere Alzheimers sygdomsrelateret neuroinflammation og patologi. De nye resultater, rapporteret i tidsskriftet Advanced Materials , opnå en reduktion af inflammation ved direkte at dæmpe ekspressionen af ​​Spi1-genet, der koder for PU.1.

Mere generelt viser det nye studie også en ny måde at levere RNA til mikroglia, som hidtil har været svære at målrette mod.

Medforfatter af undersøgelsen Li-Huei Tsai, Picower-professor i neurovidenskab og direktør for The Picower Institute for Learning and Memory and Aging Brain Initiative, sagde, at hun antog, at LNP'er kunne fungere som en måde at bringe siRNA ind i mikroglia, fordi cellerne, som renser affald i hjernen, har en stærk tilbøjelighed til at optage lipidmolekyler.

Hun diskuterede dette med Robert Langer, professor ved David Koch Instituttet, som er almindeligt kendt for sit banebrydende arbejde med levering af nanopartikler; de besluttede at teste ideen om at reducere PU.1-ekspression med et LNP-leveret siRNA.

"Jeg husker stadig den dag, hvor jeg bad om at mødes med Bob for at diskutere ideen om at teste LNP'er som en nyttelast for at målrette mod inflammatorisk mikroglia," sagde Tsai, et fakultetsmedlem i Institut for hjerne- og kognitiv videnskab. "Jeg er meget taknemmelig for JPB Foundation, som støttede denne idé uden nogen foreløbige beviser."

Langer Lab kandidatstuderende Jason Andresen og tidligere Tsai Lab postdoc William Ralvenius ledede arbejdet og er studiets co-lead forfattere. Owen Fenton, en tidligere Langer Lab postdoc, som nu er assisterende professor ved University of North Carolina's Eshelman School of Pharmacy, er en co-korresponderende forfatter sammen med Tsai og Langer. Langer er professor i kemiteknik, biologisk ingeniørvidenskab og Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Perfektion af en partikel

Den enkleste måde at teste, om siRNA terapeutisk kunne undertrykke PU.1-ekspression, ville have været at gøre brug af en allerede tilgængelig leveringsenhed, men en af ​​de første opdagelser i undersøgelsen er, at ingen af ​​otte kommercielt tilgængelige reagenser sikkert og effektivt kunne transficere dyrkede humane mikroglia-lignende celler i laboratoriet.

I stedet skulle teamet optimere en LNP for at udføre arbejdet. LNP'er har fire hovedkomponenter, og ved at ændre strukturerne af to af dem og variere forholdet mellem lipider og RNA, var forskerne i stand til at finde på syv formuleringer at prøve. Det er vigtigt, at deres test inkluderede at prøve deres formuleringer på dyrkede mikroglia, som de havde induceret til en inflammatorisk tilstand. Den tilstand er trods alt den, hvor den foreslåede behandling er nødvendig.

Blandt de syv kandidater skilte en af ​​holdet ved navn "MG-LNP" sig ud for sin særlig høje leveringseffektivitet og sikkerhed for en test-RNA-last.

Hvad der virker i en ret, virker nogle gange ikke i en levende organisme, så holdet testede derefter deres LNP-formuleringers effektivitet og sikkerhed i mus. Ved at teste to forskellige metoder til injektion, ind i kroppen eller i cerebrospinalvæsken (CSF), fandt de ud af, at injektion i CSF sikrede meget større effektivitet til at målrette mikroglia uden at påvirke celler i andre organer.

Blandt de syv formuleringer viste MG-LNP sig igen at være den mest effektive til at transficere mikroglia. Langer sagde, at han mener, at dette potentielt kan åbne nye måder at behandle visse hjernesygdomme med nanopartikler på en dag.

En målrettet terapi

Da de vidste, at MG-LNP kunne levere en testlast til mikroglia både i humane cellekulturer og mus, testede forskerne derefter, om brugen af ​​det til at levere et PU.1-undertrykkende siRNA kunne reducere inflammation i mikroglia. I cellekulturerne opnåede en relativt lav dosis en reduktion på 42 procent af PU.1-ekspression (hvilket er godt, fordi mikroglia har brug for mindst noget PU.1 for at leve).

MG-LNP-transfektion forårsagede faktisk ikke cellerne nogen skade. Det reducerede også markant transskriptionen af ​​generne, som PU.1-ekspression øges i mikroglia, hvilket indikerer, at det kan reducere flere inflammatoriske markører.

I alle disse foranstaltninger og andre klarede MG-LNP sig bedre end et kommercielt tilgængeligt reagens kaldet RNAiMAX, som forskerne testede parallelt.

"Disse resultater understøtter brugen af ​​MG-LNP-medieret anti-PU.1 siRNA levering som en potentiel terapi for neuroinflammatoriske sygdomme," skrev forskerne.

Det sidste sæt af tests evaluerede MG-LNP's ydeevne og leverede siRNA'et i to musemodeller af inflammation i hjernen. I den ene blev mus udsat for LPS, et molekyle, der simulerer infektion og stimulerer et systemisk inflammationsrespons. I den anden model udviser mus alvorlig neurodegeneration og inflammation, når et enzym kaldet CDK5 bliver hyperaktiveret af et protein kaldet p25.

I begge modeller reducerede injektion af MG-LNP'er, der bærer anti-PU.1 siRNA'et, ekspressionen af ​​PU.1 og inflammatoriske markører, ligesom i dyrkede humane celler.

"MG-LNP levering af anti-PU.1 siRNA kan potentielt bruges som et anti-inflammatorisk terapeutisk middel i mus med systemisk inflammation og i CK-p25 musemodellen for AD-lignende neuroinflammation," konkluderede forskerne og kaldte resultaterne for en "principbevis." Der kræves flere tests, før ideen kan afprøves hos menneskelige patienter.

Flere oplysninger: William T. Ralvenius et al., Nanopartikel-medieret levering af anti-PU.1 siRNA via lokaliseret intrasisternal administration reducerer neuroinflammation, avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202309225

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Massachusetts Institute of Technology