Ny platform løser nøgleproblemer i målrettet medicinlevering

I de senere år har celle- og genterapier vist sig betydeligt lovende til behandling af kræft, cystisk fibrose, diabetes, hjertesygdomme, HIV/AIDS og andre vanskelige at behandle sygdomme. Men manglen på effektive måder at levere biologiske behandlinger ind i kroppen på har udgjort en stor barriere for at bringe disse nye behandlinger til markedet – og i sidste ende til de patienter, der har mest brug for dem.

Nu har syntetiske biologer fra Northwestern University udviklet en fleksibel ny platform, der løser en del af dette skræmmende leveringsproblem. Efterligner naturlige processer, der bruges af vira, binder leveringssystemet til målceller og overfører effektivt lægemidler indeni.

Arbejdshestene bag denne nye platform er ekstracellulære vesikler (EV'er) - bittesmå nanopartikler i virusstørrelse, som alle celler allerede naturligt producerer. I den nye undersøgelse brugte forskere den kraftfulde tilgang til syntetisk biologi til at bygge DNA-"programmer", der - når de indsættes i "producerende" celler - dirigerer disse celler til selv at samle brugerdefinerede elbiler med nyttige overfladefunktioner. Programmerne dirigerer også celler til at producere og fylde EV'erne med biologiske lægemidler.

I proof-of-concept-eksperimenter leverede partiklerne med succes biologiske lægemidler - i dette tilfælde CRISPR-genredigeringsmidler, der slog en receptor ud, der bruges af HIV - til T-celler, som er notorisk svære at målrette mod. Forskerne antager også, at systemet skal fungere for mange lægemidler og mange typer celler.

Forskningen blev offentliggjort i dag (27. november) i tidsskriftet Nature Biomedical Engineering . Det markerer den første undersøgelse, der med succes har brugt elbiler til at levere last ind i T-celler.

"Genomikrevolutionen har transformeret vores forståelse af de molekylære baser for mange sygdomme, men disse indsigter har ikke resulteret i ny medicin af en grundlæggende årsag:Vi mangler den teknologi, der er nødvendig for at levere målrettet medicin til specifikke steder i kroppen, hvor de er nødvendige, " sagde Northwesterns Joshua N. Leonard, der ledede undersøgelsen.

"Disse fælles leveringsudfordringer holder os tilbage. Ved at gøre bredt muliggørende leveringsplatforme tilgængelige, kan vi fjerne en enorm mængde risiko og omkostninger ved at bringe nye lægemidler til kliniske forsøg eller på markedet. I stedet for at designe et nyt leveringssystem, hver gang en virksomhed laver et nyt lægemiddel, håber vi, at de i stedet kan bruge modulære, rekonfigurerbare platforme som vores, og dermed accelerere den hastighed, hvormed gen- og celleterapier udvikles og evalueres."

Løfterne og udfordringerne ved målrettet medicinlevering

Ved at erstatte defekte gener eller levere sunde nye gener eller celler til en patient, lover gen- og celleterapier til behandling af en lang række sygdomme. Ved hjælp af en leveringsvehikel kommer genterapier ind i kroppen for at overføre genetisk materiale til specifikke celler for at behandle eller forebygge sygdom. Celleterapier bruger en lignende tilgang, men overfører fulde celler, som typisk modificeres uden for kroppen, før de administreres.

I de mest succesrige tilfælde har virale vektorer - som bruger dele afledt af vira, men ikke kan forårsage en infektion - fungeret som leveringsmekanisme for både celle- og genterapier. Men denne strategi har begrænsninger. Immunsystemet genkender nogle gange virusdele som fremmede og blokerer sådanne vektorer, før de afleverer deres last.

"Virus har en naturlig evne til at trænge ind i celler og levere last," sagde Leonard. "At låne virale dele er en effektiv strategi for at opnå levering, men så er du noget begrænset til de typer levering, som virussen udviklede sig til at udføre. Det kræver et betydeligt ingeniørarbejde at finjustere disse systemer for at ændre deres funktioner for hver applikation. I denne historie , vi forsøgte i stedet at efterligne strategien om, at vira har udviklet sig, men vi brugte nye biologiske 'dele' til at overvinde nogle begrænsninger af virale vektorer og i sidste ende gøre nye funktionaliteter mulige."

For at designe et multifunktionelt køretøj kiggede forskerne på elbiler, som Leonard beskrev som "en blank tavle." I alle levende væsener (fra gær til planter til mennesker) afgiver celler naturligt elbiler, som forskere mener spiller en vigtig rolle i kommunikationen mellem celler og naturlige processer såsom immunfunktion.

"Disse partikler udskilles og optages af celler hele tiden - i både sunde og sygdomsmæssige processer," sagde Leonard. "For eksempel ved vi, at kræftceller udskiller elbiler, og det ser ud til at være en del af den proces, hvorved kræft spredes fra et sted til et andet. På den anden side overfører elbiler også prøver af invaderende patogener fra inficerede celler til immunceller , hjælper kroppen med at give et effektivt svar."

Udnyttelse af en 'blank tavle'

Til Leonards EV-baserede platform udviklede og syntetiserede hans team tilpassede DNA-molekyler, der blev introduceret i en producentcelle. DNA'et gav producentcellen instruktioner til at producere nye biomolekyler og derefter indlæse disse molekyler på overfladen og inde i det indre af elbiler. Dette genererede effektivt elbiler udsmykket med specifikt designede egenskaber – og last allerede på slæb.

"Vi behandler EV'er produceret af celler som i det væsentlige tomme tavler, hvorpå vi kan sammensætte nye funktioner ved at konstruere disse producentceller til at udtrykke konstruerede eller naturlige proteiner og nukleinsyrer," sagde Leonard. "Disse ændrer EV-funktionen og kan omfatte bioaktiv, terapeutisk last."

For at få succes skal elbilerne målrette mod de korrekte celler, overføre deres last til disse celler og undgå bivirkninger – alt imens patientens altid årvågne immunsystem undgås. Sammenlignet med vira er elbiler sandsynligvis mere i stand til at undgå afvisning fra immunsystemet. Fordi elbiler kan fremstilles med materialer, der stort set findes i en patients egne celler, er det mindre sandsynligt, at kroppen behandler partiklerne som et fremmed stof.

T-celleudfordringen

For at teste konceptet kiggede Leonard og hans team efter et attraktivt, men stædigt mål:T-celler. Fordi T-celler naturligt hjælper kroppen med at bekæmpe bakterier og sygdomme, har forskere søgt at forbedre T-cellernes naturlige evner til immunterapiapplikationer.

"De fleste celler prøver konstant små bidder af deres miljø," sagde studiets hovedforfatter Devin Stranford, en kandidat fra Leonards laboratorium og nu en videnskabsmand ved Syenex. "Men uanset årsagen gør T-celler ikke det så meget. Derfor er det udfordrende at levere lægemidler til T-celler, fordi de ikke aktivt vil optage dem. Du skal have biologien rigtigt i orden for de leveringsbegivenheder skal ske."

I eksperimenterne konstruerede forskerne en producentcelle til at generere elbiler fyldt med Cas9, et protein, der er en del af CRISPR-systemet, parret med et konstrueret RNA-molekyle for at dirigere det til at genkende og ændre en specifik sekvens af DNA i en celles genom. Forskerne introducerede de modificerede elbiler i en kultur af T-celler. EV'erne bandt sig effektivt til T-cellerne og leverede deres last med succes, hvilket førte til en genetisk redigering, der inaktiverede genet, der koder for en receptor, der bruges af HIV til at inficere T-celler. Selvom behandling af hiv-infektioner ikke var et umiddelbart mål for dette projekt, illustrerer dette arbejde ikke desto mindre dette løfte og demonstrerer de typer af nye terapeutiske funktioner, som teknologien muliggør.

"Et centralt mål med dette arbejde var at bruge strenge metoder for at sikre, at lasten kom hele vejen derhen, hvor den skulle," sagde Leonard. "Fordi vi laver redigeringer af disse cellers genom, kan vi bruge kraftfulde teknologier som næste generations sekventering til at bekræfte, at de nøjagtige redigeringer var til stede i modtagercellerne, på den placering af genomet, hvor de var beregnet."

Hvad er det næste?

Den nye platform kaldet GEMINI (Genetisk kodede multifunktionelle integrerede nanovesicles) repræsenterer en række teknologier til gensplejsning af celler til at producere multifunktionelle elbiler til at imødekomme forskellige patientbehov.

"Afhængigt af behandlingen kan man have brug for en milliard elbiler," sagde han. "Men fordi de er så små, er det faktisk en lillebitte mængde materiale. Andre har allerede vist, at elbiler kan produceres på klinisk oversættelige måder i kommerciel skala. Faktisk er en særlig fordel ved biologisk kodning af EV-funktioner, som vi har, at al kompleksiteten går til at udvikle DNA-programmerne, når det er gjort, er sådanne processer let kompatible med modne, eksisterende fremstillingsmetoder."

Gennem Syenex håber Leonard at bruge GEMINI-platformen sammen med andre syntetiske biologiteknologier til hurtigt at generere best-in-case leveringskøretøjer, der gør det muligt for udviklere – lige fra akademiske spinouts til modne bioteknologivirksomheder – at designe nye, livsændrende celler og gener terapier.

"Ved at demonstrere evnen til genetisk at kode last- og overfladesammensætninger af nanovesikler med GEMINI-platformen, kan vi vende et hårdt biologisk problem til et lettere DNA-teknisk problem," sagde Leonard. "Det gør os i stand til at udnytte de igangværende eksponentielle forbedringer i DNA-syntese og sekventering, der har drevet væksten af ​​syntetisk biologi. Vi er optimistiske over, at disse tilgange vil gøre det muligt for forskere at løse de store leveringsudfordringer og udvikle nye og forbedrede behandlinger, der gavner en bred række patienter."

Flere oplysninger: Devin M. Stranford et al., genetisk kodning af flere funktionaliteter i ekstracellulære vesikler til målrettet levering af biologiske lægemidler til T-celler, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI:10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x

Journaloplysninger: Nature biomedicinsk teknik

Leveret af Northwestern University