W ramach interdyscyplinarnej współpracy opracowano sposób „maskowania” białek, aby można je było wychwycić przez nanocząsteczki lipidów, które przypominają maleńkie pęcherzyki tłuszczu. Pęcherzyki te są na tyle małe, że mogą przemycić ukryty ładunek do żywych komórek, gdzie białka ujawniają się i wywierają działanie terapeutyczne.

Ta możliwa do uogólnienia technika może doprowadzić do ponownego wykorzystania tysięcy komercyjnych produktów białkowych, w tym przeciwciał, do badań biologicznych i zastosowań terapeutycznych.

Artykuł grupy zatytułowany „Bioreversible Anion Cloaking Enables Intra Cellular Protein Delivery with Ionizable Lipid Nanoparticles” opublikowany 14 maja w czasopiśmie Centralna nauka ACS. Głównym autorem jest doktorant Azmain Alamgir, który pracuje w laboratoriach starszych autorów artykułu, Chrisa Alabi, profesora nadzwyczajnego inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Cornell Engineering, oraz Matta DeLisy, profesora inżynierii i dyrektora Williama L. Lewisa z Instytutu Biotechnologii Cornell.

Projekt rozpoczął się od jednego celu: połączenia wiedzy specjalistycznej grupy DeLisa w projektowaniu leków na bazie białek z koncentracją laboratorium Alabi na wewnątrzkomórkowym dostarczaniu leków biologicznych.

Aby niektóre leki mogły wpłynąć na biologię komórki i ostatecznie wyleczyć chorobę, muszą przedostać się do wnętrza komórki i dotrzeć do określonej przestrzeni. Przypomina to naprawianie pękniętej rury w domu: hydraulik musi uzyskać dostęp do określonego pomieszczenia, aby naprawić wyciek.

Leki oparte na białkach mają wiele zalet — mogą mieć bardziej specyficzne działanie, mniejszą toksyczność i słabszą odpowiedź immunologiczną — ale łatwość podawania nie jest jedną z nich. Białka są duże i nieporęczne i nie przedostają się swobodnie do komórek tak łatwo, jak robią to małe cząsteczki. Jest to jeden z powodów, dla których małe cząsteczki są głównym źródłem leków w przemyśle farmaceutycznym: mogą łatwo dyfundować do komórek bez nośnika dostarczającego.

Przez lata grupa DeLisy opracowała szeroką gamę interesujących i potencjalnie skutecznych kandydatów na leki białkowe. Niestety, praktyczna użyteczność tych białek była ograniczona przez brak metody dostarczania wewnątrzkomórkowego. Chociaż terapia genowa – technologia biomedyczna, która może wywołać efekt terapeutyczny poprzez dostarczenie genu do ekspresji w komórkach docelowych – była opcją, metoda ta ma burzliwą historię ze względu na kwestie bezpieczeństwa u ludzi.

„Szukaliśmy sprytnego sposobu na skuteczne wprowadzenie naszych zmodyfikowanych białek do wnętrza komórek, szczególnie w kontekście translacyjnym, który działałby nie tylko w komórkach hodowanych w laboratorium, ale który byłby również skuteczny i bezpieczny w modelach zwierzęcych, a ostatecznie u ludzi – powiedziała DeLisa.

„Kiedy Azmain połączył naszą grupę z grupą Chrisa, jeden z pomysłów, który się pojawił, brzmiał: po co dostarczać to jako terapię genową, skoro możemy dostarczać je w postaci już wyprodukowanego białka? I to nas bardzo podekscytowało”.

Laboratorium Alabi musiało stawić czoła własnym wyzwaniom. Alabi powiedział, że choć zespół miał doświadczenie w dostarczaniu kwasów nukleinowych do komórek za pomocą nanocząstek, nie znalazł jeszcze sposobu na zrobienie tego samego z „kulistymi, miękkimi białkami” ze względu na ograniczone doświadczenie laboratorium w wytwarzaniu wystarczających ilości białek do testów.

„Postrzegaliśmy to jako fajny pomost między naszymi grupami badawczymi, pozwalający stworzyć nową przestrzeń, nad którą, jak sądzę, nie pracowało wówczas wiele osób, i zrobić to w sposób, który mógłby być skalowalny i wywierający wpływ” – powiedział Alabi .

Naukowcy wpadli na szeroki pomysł zastosowania metody biokoniugacji, która umożliwiłaby załadowanie białek do nanocząstek lipidowych, które tworzą się wokół kwasów nukleinowych. Główną zaletą tego podejścia było to, że nanocząsteczki lipidowe były kluczowym składnikiem skutecznych szczepionek przeciwko COVID-19 opracowanych przez firmy Pfizer-BioNTech i Moderna.

„W tamtym czasie ta technologia naprawdę się rozwinęła” – powiedział Alamgir.

Działanie tych szczepionek polegało na dostarczaniu ładunku w postaci informacyjnego RNA, którym są kwasy nukleinowe. Naukowcy wykorzystaliby teraz tę samą koncepcję dostarczania nanocząstek lipidowych – nawet te same materiały – ale z ładunkiem białka. Sztuka polega na tym, aby białka wyglądały bardziej jak kwasy nukleinowe.

Naukowcy odkryli, że można tego dokonać poprzez „maskowanie” białek ujemnie naładowanym jonem, tak aby łączyły się one elektrostatycznie z dodatnio naładowanymi lipidami.

„Sedno naszej strategii jest koncepcyjnie bardzo proste” – powiedział Alamgir. „Bierzemy białka i w szczególności przebudowujemy ich powierzchnię za pomocą ładunków ujemnych, aby wyglądały jak kwasy nukleinowe i mogły podobnie składać się w nanocząsteczki, gdy są skomponowane z charakterystycznymi lipidami”.

Jedną z trudności, na jakie natrafił zespół, były dość surowe warunki, w jakich kwasy nukleinowe łączą się z lipidami lub tworzą je w kompleksy – zbyt surowe dla białek.

„Musieliśmy zastosować łagodniejsze warunki i nieco zmodyfikowaną formułę, do której dodaliśmy dodatkowe lipidy” – powiedział Alabi. „Zatem zarówno od strony biokoniugacji białek, jak i od strony lipidów musieliśmy ulepszyć formułę, aby to działało tak dobrze”.

Zespół, w skład którego wchodził doktorant i współautor Souvik Ghosal, z powodzeniem zademonstrował metodę maskowania za pomocą sulfonowanych związków reagujących z lizyną, zabijającą komórki nowotworowe za pomocą rybonukleazy A i hamującą sygnalizację nowotworu za pomocą przeciwciał monoklonalnych immunoglobulin G (IgG).

Dodatkową zaletą chemii biokoniugacji zastosowanej przez zespół jest to, że proces ten jest odwracalny. Znacznik chemiczny dodany do białka zostaje usunięty po wejściu do cytoplazmy komórki. A ponieważ metoda biokoniugacji ukierunkowana jest na lizynę – rodzaj aminokwasu powszechnie występującego w naturalnych białkach – technikę tę można zastosować w przypadku praktycznie każdego białka.

„Ma to potencjał wykorzystania wielu gotowych białek, które są obecnie dostępne u wielu dystrybutorów nauk przyrodniczych i firm biotechnologicznych, i ponownego wykorzystania ich do nowych zastosowań wewnątrzkomórkowych” – powiedział Alamgir.