Inženjeri sa MIT-a i Medicinskog fakulteta Univerziteta u Masačusetsu dizajnirali su novi tip nanočestica koje se mogu primeniti u pluća, gde mogu da isporuče RNK koja kodira korisne proteine.
Sa daljim razvojem, ove čestice bi mogle da ponude inhalacioni tretman za cističnu fibrozu i druge bolesti pluća, kažu istraživači.
„Ovo je prva demonstracija visoko efikasne isporuke RNK u pluća kod miševa. Nadamo se da se može koristiti za lečenje ili popravku niza genetskih bolesti, uključujući cističnu fibrozu“, kaže Daniel Anderson, profesor na odeljenju MIT-a. hemijskog inženjerstva i član MIT-ovog Koh instituta za integrativno istraživanje raka i Instituta za medicinsko inženjerstvo i nauku (IMES).
U studiji na miševima, Anderson i njegove kolege su koristili čestice da isporuče mRNA koja kodira mašineriju potrebnu za uređivanje gena CRISPR/Cas9. To bi moglo da otvori vrata dizajniranju terapeutskih nanočestica koje mogu da iseckaju i zamene gene koji izazivaju bolesti.
Stariji autori studije, koja se danas pojavljuje u Nature Biotechnologi, su Anderson; Robert Langer, profesor David H. Koch Instituta na MIT-u; i Ven Ksue, vanredni profesor na Institutu za RNA terapeutiku Medicinske škole UMass. Boven Li, bivši postdoktor MIT-a, koji je sada docent na Univerzitetu u Torontu; Rajith Singh Manan, postdoc MIT; i Shun-King Liang, postdoktor na UMass Medical School, su vodeći autori rada.
Messenger RNK ima veliki potencijal kao terapeutik za lečenje raznih bolesti izazvanih neispravnim genima. Jedna od prepreka za njegovo korišćenje do sada je bila poteškoća u donošenju u desni deo tela, bez efekata van cilja. Ubrizgane nanočestice se često akumuliraju u jetri, tako da je sada u toku nekoliko kliničkih ispitivanja koja procenjuju potencijalne tretmane mRNA za bolesti jetre. Vakcine COVID-19 zasnovane na RNK, koje se ubrizgavaju direktno u mišićno tkivo, takođe su se pokazale efikasnim. U mnogim od tih slučajeva, mRNA je inkapsulirana u lipidnoj nanočestici — masnoj sferi koja štiti iRNK od preranog razlaganja i pomaže joj da uđe u ciljne ćelije.
Pre nekoliko godina, Andersonova laboratorija je krenula da dizajnira čestice koje bi bile u stanju da bolje transfektuju epitelne ćelije koje čine većinu sluznice pluća. U 2019. godini, njegova laboratorija je stvorila nanočestice koje bi mogle da isporuče mRNA koja kodira bioluminiscentni protein u ćelije pluća. Te čestice su napravljene od polimera umesto lipida, što ih je učinilo lakšim za aerosolizaciju za udisanje u pluća. Međutim, potrebno je više rada na tim česticama kako bi se povećala njihova moć i maksimizirala njihova korisnost.
U svojoj novoj studiji, istraživači su odlučili da razviju lipidne nanočestice koje bi mogle da ciljaju pluća. Čestice se sastoje od molekula koji sadrže dva dela: pozitivno naelektrisanu glavu i dugačak lipidni rep. Pozitivni naboj glavne grupe pomaže česticama da stupe u interakciju sa negativno naelektrisanom iRNK, a takođe pomaže iRNK da pobegne iz ćelijskih struktura koje gutaju čestice kada uđu u ćelije.
U međuvremenu, struktura repa lipida pomaže česticama da prođu kroz ćelijsku membranu. Istraživači su došli do 10 različitih hemijskih struktura za repove lipida, zajedno sa 72 različite grupe glava. Skriningom različitih kombinacija ovih struktura kod miševa, istraživači su uspeli da identifikuju one za koje je najverovatnije da će doći do pluća.
U daljim testovima na miševima, istraživači su pokazali da mogu da koriste čestice da isporuče mRNA koja kodira CRISPR/Cas9 komponente dizajnirane da iseče stop signal koji je genetski kodiran u ćelijama pluća životinja. Kada se taj signal zaustavljanja ukloni, uključuje se gen za fluorescentni protein. Merenje ovog fluorescentnog signala omogućava istraživačima da odrede koji procenat ćelija je uspešno eksprimirao iRNK.
Nakon jedne doze mRNA, oko 40 procenata epitelnih ćelija pluća je transfektovano, otkrili su istraživači. Dve doze su dovele nivo na više od 50 odsto, a tri doze do 60 odsto. Najvažnije mete za lečenje plućne bolesti su dve vrste epitelnih ćelija koje se zovu klub ćelije i trepljaste ćelije, a svaka od njih je transfektovana sa oko 15 procenata.
„To znači da su ćelije koje smo mogli da uredimo zaista ćelije od interesa za plućne bolesti“, kaže Li. „Ovaj lipid nam može omogućiti da isporučimo mRNA u pluća mnogo efikasnije od bilo kog drugog sistema isporuke koji je do sada prijavljen.“
Nove čestice se takođe brzo razgrađuju, omogućavajući im da se uklone iz pluća u roku od nekoliko dana i smanjujući rizik od upale. Čestice se takođe mogu isporučiti više puta istom pacijentu ako su potrebne ponovljene doze. Ovo im daje prednost u odnosu na drugi pristup isporučivanju mRNK, koji koristi modifikovanu verziju bezopasnih adenovirusa. Ti virusi su veoma efikasni u isporuci RNK, ali se ne mogu davati više puta jer izazivaju imuni odgovor kod domaćina.
Da bi isporučili čestice u ovoj studiji, istraživači su koristili metodu nazvanu intratrahealna instilacija, koja se često koristi kao način za modeliranje isporuke lekova u pluća. Oni sada rade na tome da svoje nanočestice učine stabilnijim, tako da se mogu raspršiti i udahnuti pomoću nebulizatora.
Istraživači takođe planiraju da testiraju čestice da isporuče mRNA koja bi mogla da ispravi genetsku mutaciju pronađenu u genu koji uzrokuje cističnu fibrozu, u mišjem modelu bolesti. Takođe se nadaju da će razviti tretmane za druge plućne bolesti, kao što je idiopatska plućna fibroza, kao i mRNA vakcine koje bi mogle da se isporuče direktno u pluća.
