Nanočestice editiraju gene u plućima

Inženjeri s MIT-a i Medicinskog fakulteta Sveučilišta Massachusetts dizajnirali su novu vrstu nanočestica koje se mogu primijeniti u pluća, gdje mogu isporučiti glasnički RNK koji kodira korisne proteine.

Uz daljnji razvoj, te bi čestice mogle ponuditi inhalacijski tretman za cističnu fibrozu i druge bolesti pluća, kažu istraživači.

"Ovo je prva demonstracija vrlo učinkovite dostave RNK u pluća kod miševa. Nadamo se da se može koristiti za liječenje ili popravak niza genetskih bolesti, uključujući cističnu fibrozu," kaže Daniel Anderson, profesor na MIT-ovom Odjelu za kemijsko inženjerstvo i član MIT-ovog Koch instituta za integrativno istraživanje raka i Instituta za medicinu Inženjerstvo i znanost (IMES).

U studiji na miševima, Anderson i njegovi kolege koristili su čestice za isporuku mRNA koja kodira sklopove potrebne za uređivanje gena CRISPR/Cas9. To bi moglo otvoriti vrata dizajniranju terapeutskih nanočestica koje mogu izrezati i zamijeniti gene koji uzrokuju bolesti.

Glasnički RNK ima veliki potencijal kao terapija za liječenje raznih bolesti uzrokovanih neispravnim genima. Jedna od prepreka njegovoj dosadašnjoj upotrebi bile su poteškoće u isporuci u pravi dio tijela, bez učinaka izvan cilja. Ubrizgane nanočestice često se nakupljaju u jetri, tako da je u tijeku nekoliko kliničkih ispitivanja koja procjenjuju potencijalne tretmane mRNA za bolesti jetre. Cjepiva protiv Covid-19 temeljena na RNA, koja se ubrizgavaju izravno u mišićno tkivo, također su se pokazala učinkovitima. U mnogim od tih slučajeva, mRNA je inkapsulirana u lipidnoj nanočestici — masnoj sferi koja štiti mRNA od prerane razgradnje i pomaže joj da uđe u ciljne stanice.

U svojoj novoj studiji, istraživači su krenuli u razvoj lipidnih nanočestica koje bi mogle ciljati na pluća. Čestice se sastoje od molekula koje sadrže dva dijela: pozitivno nabijenu glavu i dugi lipidni rep. Pozitivni naboj glavne skupine pomaže česticama u interakciji s negativno nabijenom mRNA, a također pomaže mRNA da pobjegne iz staničnih struktura koje gutaju čestice nakon što uđu u stanice.

Struktura lipidnog repa, u međuvremenu, pomaže česticama da prođu kroz staničnu membranu. Istraživači su došli do 10 različitih kemijskih struktura za lipidne repove, zajedno sa 72 različite skupine glava. Pregledom različitih kombinacija ovih struktura kod miševa, istraživači su uspjeli identificirati one koje su najvjerojatnije dospjele u pluća.

U daljnjim testovima na miševima, istraživači su pokazali da mogu upotrijebiti čestice za isporuku mRNA koja kodira CRISPR/Cas9 komponente dizajnirane za isključivanje stop signala koji je genetski kodiran u plućnim stanicama životinja. Kada se taj stop signal ukloni, uključuje se gen za fluorescentni protein. Mjerenje ovog fluorescentnog signala omogućuje istraživačima da odrede koji je postotak stanica uspješno eksprimirao mRNA.

Nakon jedne doze mRNA, oko 40 posto plućnih epitelnih stanica je transficirano, otkrili su istraživači. Dvije doze dovele su razinu do više od 50 posto, a tri doze do 60 posto. Najvažnije mete za liječenje plućnih bolesti su dvije vrste epitelnih stanice, a svaka od njih je transficirana u oko 15 posto. 

"To znači da su stanice koje smo uspjeli urediti zapravo stanice od interesa za plućne bolesti", kaže Li. "Ovaj lipid nam može omogućiti dostavu mRNA u pluća mnogo učinkovitije od bilo kojeg drugog sustava dostave koji je dosad prijavljen."

Nove se čestice također brzo razgrađuju, omogućujući im da se očiste iz pluća unutar nekoliko dana i smanjujući rizik od upale. Čestice se također mogu isporučiti više puta istom pacijentu ako su potrebne ponovljene doze. To im daje prednost u odnosu na drugi pristup isporuci mRNA, koji koristi modificiranu verziju bezopasnih adenovirusa. Ti su virusi vrlo učinkoviti u isporuci RNK, ali se ne mogu davati više puta jer induciraju imunološki odgovor u domaćinu.

"Ovo postignuće utire put obećavajućim terapeutskim aplikacijama za isporuku plućnih gena za razne plućne bolesti", kaže Dan Peer, direktor Laboratorija za preciznu nanomedicinu na Sveučilištu Tel Aviv, koji nije bio uključen u studiju. "Ova platforma ima nekoliko prednosti u usporedbi s konvencionalnim cjepivima i terapijama, uključujući to da je bez stanica, omogućuje brzu proizvodnju i ima visoku svestranost i povoljan sigurnosni profil."

Za isporuku čestica u ovoj studiji, istraživači su koristili metodu koja se zove intratrahealna instilacija, koja se često koristi kao način modeliranja isporuke lijekova u pluća. Sada rade na tome da svoje nanočestice učine stabilnijima, kako bi se mogle raspršiti i udisati pomoću nebulizatora.

Istraživači također planiraju testirati čestice za isporuku mRNA koja bi mogla ispraviti genetsku mutaciju pronađenu u genu koji uzrokuje cističnu fibrozu, u mišjem modelu bolesti. Također se nadaju da će razviti tretmane za druge plućne bolesti, kao što je idiopatska plućna fibroza, kao i mRNA cjepiva koja bi se mogla isporučiti izravno u pluća.

Studiju objavljenu u časopisu Nature Biotechnology možete pronaći na ovoj poveznici.