Team pioniert met ‘one-pot platform’ om snel mRNA-afleverdeeltjes te produceren

Stel je een scenario voor waarin een bekwame hacker kritieke software moet uploaden om een ​​centrale server te updaten en een potentieel dodelijk virus ervan te weerhouden om chaos te veroorzaken in een enorm computernetwerk. De programmeur, gewapend met de levensreddende code, moet door verraderlijk gebied navigeren dat wemelt van tegenstanders, en succes hangt af van het snel verkrijgen van een veilig, stealthy bezorgvoertuig dat de hacker precies daar kan brengen waar hij moet zijn.

In de context van de moderne geneeskunde fungeert messenger RNA (mRNA) als hacker, die genetische instructies draagt ​​om specifieke eiwitten in cellen te produceren die gewenste immuunreacties kunnen induceren of maladaptieve cellulaire elementen kunnen afzonderen. Lipide nanodeeltjes (LNP’s) zijn de heimelijke aflevervoertuigen die deze kwetsbare mRNA-moleculen door de bloedbaan naar hun doelcellen transporteren, waarbij ze de verdediging van het lichaam overwinnen om hun lading veilig en efficiënt af te leveren.

Net als bij het bouwen van een geavanceerd stealth-voertuig is de synthese van kationische lipiden (een type lipidemolecuul dat positief geladen is en een belangrijk onderdeel is van LNP’s) vaak een tijdrovend proces dat meerdere stappen van chemische synthese en zuivering omvat.

Nu hebben Michael Mitchell en een team van de University of Pennsylvania deze uitdaging aangepakt met een nieuwe aanpak die gebruikmaakt van een samengestelde bibliotheekfabricagetechniek die bekend staat als “klikachtige chemie” om LNP’s te creëren in één enkele, eenvoudige stap. Hun bevindingen, gepubliceerd in het dagboek Natuur Chemietonen aan dat deze methode niet alleen het syntheseproces versnelt, maar ook een manier biedt om deze afgiftesystemen uit te rusten met een ‘GPS’ om specifieke organen, zoals de lever, longen en milt, beter te kunnen targeten. Dit opent mogelijk nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van een reeks ziekten die in deze organen ontstaan.

“We hebben ontwikkeld wat we een amidine-incorporated degradable (AID) lipid noemen, een uniek gestructureerd biologisch afbreekbaar molecuul,” zegt Mitchell. “Zie het als een eenvoudig te bouwen, op maat gemaakt mRNA-voertuig met een bodykit die zijn navigatiesysteem informeert. Door de vorm en afbreekbaarheid aan te passen, kunnen we de mRNA-afgifte in cellen op een veilige manier verbeteren. Door de hoeveelheid AID-lipid aan te passen die we in de LNP opnemen, kunnen we het ook naar verschillende organen in het lichaam leiden, net zoals we verschillende bestemmingen in een GPS programmeren.”

Hoofdauteur Xuexiang Han, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Mitchell Lab, legt uit dat hun nieuwe aanpak het mogelijk maakt om snel diverse lipidestructuren te creëren in slechts een uur, vergeleken met het proces dat traditioneel weken duurt.

“Het resultaat is een significante versnelling in de ontwikkeling en het testen van AID-lipiden,” zegt hij. “Hierdoor kunnen we een breder scala aan lipidesamenstellingen en hun effecten op mRNA-afgifte onderzoeken.”

Om deze versnelde AID-lipide-opbouw te bereiken, maakten de onderzoekers gebruik van een tandem multicomponent-reactie (T-MCR) om de AID-lipiden te synthetiseren, een proces waarbij chemische verbindingen – een amine, thiol en acrylaat – in één stap worden gecombineerd om snel diverse lipidestructuren te produceren. De one-pot-synthesebenadering verkort de tijd die nodig is om kationische lipiden te produceren aanzienlijk, waardoor het een efficiëntere en schaalbare oplossing is voor mRNA-LNP-afgifte.

Mitchells team synthetiseerde 100 verschillende AID-lipiden, die vervolgens werden geformuleerd tot LNP’s. De resulterende LNP’s werden getest op hun vermogen om mRNA te leveren aan verschillende organen in diermodellen, wat het team liet zien dat ze specifieke organen met hoge precisie konden targeten.

Een belangrijk kenmerk van deze AID-lipiden is hun vermogen om afbreekbare componenten op te nemen, wat ervoor zorgt dat de LNP’s veilig in het lichaam worden afgebroken na het afleveren van hun mRNA-lading. Deze biologische afbreekbaarheid is essentieel om mogelijke bijwerkingen te minimaliseren en ervoor te zorgen dat de therapeutische middelen zich niet in de loop van de tijd in het lichaam ophopen. De onderzoekers hebben aangetoond dat de AID-lipid LNP’s effectief mRNA-coderende functionele eiwitten kunnen afleveren, wat hun potentieel voor gebruik in een breed scala aan therapeutische toepassingen benadrukt.

Een andere belangrijke bevinding was de identificatie van een aparte kop (of staart) ring-alkyl aniline structuur die bijzonder effectief bleek in het verbeteren van mRNA-afgifte. Deze structuur, die het team het “wig-effect” noemde, stelt de LNP’s in staat om celmembranen efficiënter te penetreren, wat de afgifte van mRNA in de doelcellen vergemakkelijkt. De studie toonde aan dat LNP’s met deze structuur hogere transfectie-efficiënties en hogere eiwitexpressieniveaus bereikten in vergelijking met LNP’s zonder deze structuur.

De onderzoekers onderzochten ook het potentieel van AID-lipid LNP’s om mRNA-vaccins af te leveren die gericht zijn op specifieke immuuncellen. Ook toonden ze aan dat deze LNP’s selectief antigeenpresenterende cellen in de milt kunnen transfecteren. Dit is een cruciale stap voor het opwekken van robuuste immuunreacties.

“Deze ontdekking opent nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van mRNA-gebaseerde vaccins die het immuunsysteem nauwkeurig kunnen targeten en activeren, wat mogelijk kan leiden tot effectievere en langduriger immuniteit tegen verschillende ziekten”, aldus Han.

Terwijl Mitchell en het team hun platform blijven verfijnen, richten ze zich op nog nauwkeurigere targeting, met name in de longen.

“We werken er nu aan om onze voertuigen voorbij de eerste barrière van bloedvaten te leiden om dieper in het longweefsel te komen,” zegt Mitchell. “Het is een beetje alsof we ons afleversysteem programmeren om door steeds complexere beveiligingslagen te navigeren.”