Inżynierowie z MIT i University of Massachusetts Medical School opracowali nowy rodzaj nanocząsteczek, które można podawać do płuc, gdzie mogą dostarczać informacyjny RNA kodujący przydatne białka.

Naukowcy twierdzą, że wraz z dalszym rozwojem cząsteczki te mogą stanowić wziewne leczenie mukowiscydozy i innych chorób płuc.

„To pierwsza demonstracja wysoce wydajnego dostarczania RNA do płuc u myszy. Mamy nadzieję, że będzie można go stosować do leczenia lub naprawy szeregu chorób genetycznych, w tym mukowiscydozy” – mówi Daniel Anderson, profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej MIT i członek Instytutu Kocha ds. Zintegrowanych Badań nad Rakiem i Instytutu Medycznego. Inżynieria i nauka (IMES).

W badaniu na myszach Anderson i jego współpracownicy wykorzystali cząsteczki do dostarczenia mRNA kodującego maszynerię potrzebną do edycji genów CRISPR/Cas9. To może otworzyć drzwi do zaprojektowania terapeutycznych nanocząstek, które mogą wycinać i zastępować geny powodujące choroby.

Starsi autorzy badania, które ukazuje się dziś w Biotechnologia przyrody, to Anderson; Robert Langer, profesor Instytutu Davida H. Kocha w MIT; oraz Wen Xue, profesor nadzwyczajny w UMass Medical School RNA Therapeutics Institute. Bowen Li, były pracownik naukowy MIT, obecnie adiunkt na Uniwersytecie w Toronto; Rajith Singh Manan, postdoc z MIT; i Shun-Qing Liang, postdoc w UMass Medical School, są głównymi autorami artykułu.

Celowanie w płuca

Komunikator RNA ma ogromny potencjał terapeutyczny w leczeniu różnych chorób spowodowanych wadliwymi genami. Jedną z przeszkód w jego dotychczasowym zastosowaniu była trudność w dostarczeniu go do właściwej części ciała, bez efektów poza celem. Wstrzykiwane nanocząsteczki często gromadzą się w wątrobie, dlatego obecnie trwa kilka badań klinicznych oceniających potencjalne metody leczenia chorób wątroby za pomocą mRNA. Szczepionki Covid-19 oparte na RNA, które są wstrzykiwane bezpośrednio do tkanki mięśniowej, również okazały się skuteczne. W wielu z tych przypadków mRNA jest zamknięty w nanocząsteczce lipidowej — kuli tłuszczowej, która chroni mRNA przed przedwczesnym rozkładem i pomaga mu dostać się do komórek docelowych.

Kilka lat temu laboratorium Andersona postanowiło zaprojektować cząsteczki, które byłyby w stanie lepiej transfekować komórki nabłonkowe, które tworzą większość wyściółki płuc. W 2019 roku jego laboratorium stworzyło nanocząstki, które mogą dostarczać mRNA kodujący białko bioluminescencyjne do komórek płuc. Cząsteczki te zostały wykonane z polimerów zamiast z lipidów, co ułatwiło ich rozpylanie w celu inhalacji do płuc. Jednak potrzeba więcej pracy nad tymi cząsteczkami, aby zwiększyć ich moc i zmaksymalizować ich użyteczność.

W swoim nowym badaniu naukowcy postanowili opracować nanocząsteczki lipidowe, które mogłyby atakować płuca. Cząsteczki składają się z cząsteczek, które zawierają dwie części: dodatnio naładowaną grupę czołową i długi ogon lipidowy. Dodatni ładunek grupy czołowej pomaga cząsteczkom oddziaływać z ujemnie naładowanym mRNA, a także pomaga mRNA wydostać się ze struktur komórkowych, które pochłaniają cząstki po wejściu do komórek.

Tymczasem struktura ogona lipidowego pomaga cząsteczkom przechodzić przez błonę komórkową. Naukowcy wymyślili 10 różnych struktur chemicznych ogonów lipidowych wraz z 72 różnymi grupami głów. Badając różne kombinacje tych struktur u myszy, naukowcy byli w stanie zidentyfikować te, które z największym prawdopodobieństwem dotrą do płuc.

Sprawna dostawa

W dalszych testach na myszach naukowcy wykazali, że mogą wykorzystać cząsteczki do dostarczenia mRNA kodującego komponenty CRISPR/Cas9 zaprojektowane do wycinania sygnału stop, który był genetycznie zakodowany w komórkach płucnych zwierząt. Kiedy ten sygnał stop zostanie usunięty, włącza się gen białka fluorescencyjnego. Pomiar tego sygnału fluorescencyjnego pozwala naukowcom określić, jaki procent komórek z powodzeniem eksprymował mRNA.

Naukowcy odkryli, że po jednej dawce mRNA około 40 procent komórek nabłonka płuc zostało transfekowanych. Dwie dawki podniosły poziom do ponad 50 procent, a trzy dawki do 60 procent. Najważniejszymi celami w leczeniu chorób płuc są dwa rodzaje komórek nabłonkowych, zwane komórkami klubowymi i komórkami rzęskowymi, a każdy z nich został transfekowany w około 15 procentach.

„Oznacza to, że komórki, które mogliśmy edytować, są w rzeczywistości komórkami będącymi przedmiotem zainteresowania w przypadku chorób płuc” – mówi Li. „Ten lipid może umożliwić nam dostarczanie mRNA do płuc znacznie wydajniej niż jakikolwiek inny system dostarczania, który został dotychczas opisany”.

Nowe cząstki również szybko się rozkładają, co pozwala usunąć je z płuc w ciągu kilku dni i zmniejsza ryzyko zapalenia. Cząstki mogą być również dostarczane wielokrotnie temu samemu pacjentowi, jeśli potrzebne są powtarzane dawki. Daje im to przewagę nad innym podejściem do dostarczania mRNA, które wykorzystuje zmodyfikowaną wersję nieszkodliwych adenowirusów. Wirusy te są bardzo skuteczne w dostarczaniu RNA, ale nie mogą być podawane wielokrotnie, ponieważ indukują odpowiedź immunologiczną u gospodarza.

„To osiągnięcie toruje drogę obiecującym terapeutycznym zastosowaniom dostarczania genów do płuc w różnych chorobach płuc”, mówi Dan Peer, dyrektor Laboratorium Precyzyjnej Nanomedycyny na Uniwersytecie w Tel Awiwie, który nie był zaangażowany w badania. „Platforma ta ma kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi szczepionkami i terapiami, w tym to, że nie zawiera komórek, umożliwia szybką produkcję i ma dużą wszechstronność oraz korzystny profil bezpieczeństwa”.

Aby dostarczyć cząsteczki w tym badaniu, naukowcy zastosowali metodę zwaną wkraplaniem dotchawiczym, która jest często wykorzystywana jako sposób modelowania dostarczania leków do płuc. Obecnie pracują nad tym, aby ich nanocząsteczki były bardziej stabilne, aby można je było rozpylać i wdychać za pomocą nebulizatora.

Naukowcy planują również przetestować cząsteczki w celu dostarczenia mRNA, które mogłoby skorygować mutację genetyczną znalezioną w genie powodującym mukowiscydozę w mysim modelu choroby. Mają także nadzieję na opracowanie metod leczenia innych chorób płuc, takich jak idiopatyczne zwłóknienie płuc, a także szczepionek mRNA, które mogłyby być dostarczane bezpośrednio do płuc.

Badania zostały sfinansowane przez Translate Bio, National Institutes of Health, fundusz startowy Leslie Dan na Wydziale Farmacji, PRiME Postdoctoral Fellowship z University of Toronto, American Cancer Society i Cystic Fibrosis Foundation.