Met siloxaan versterkte nanodeeltjes maken nauwkeurige orgaantargeting mogelijk voor mRNA-therapie

Penn Engineers hebben een nieuw middel ontdekt om lipide-nanodeeltjes (LNP’s), de revolutionaire moleculen die de COVID-19-vaccins afleverden, op specifieke weefsels te richten, wat een nieuw tijdperk in gepersonaliseerde geneeskunde en gentherapie aankondigt.

Terwijl eerder onderzoek – onder meer bij Penn Engineering – ‘bibliotheken’ van LNP’s heeft gescreend om specifieke varianten te vinden die zich richten op organen zoals de longen, lijkt deze aanpak op vallen en opstaan.

“We hebben nooit begrepen hoe de structuur van één sleutelcomponent van het LNP, het ioniseerbare lipide, de uiteindelijke bestemming van LNP’s naar organen buiten de lever bepaalt”, zegt Michael J. Mitchell, universitair hoofddocent bio-engineering.

In een artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiebeschrijft de groep van Mitchell hoe subtiele aanpassingen aan de chemische structuur van het ioniseerbare lipide, een sleutelcomponent van de LNP, weefselspecifieke afgifte mogelijk maken, met name aan de lever, longen en milt.

De kracht van siloxaan

Het belangrijkste inzicht van de onderzoekers was om siloxaancomposieten, een klasse van op silicium en zuurstof gebaseerde verbindingen die al worden gebruikt in medische apparatuur, cosmetica en medicijnafgifte, op te nemen in de ioniseerbare lipiden waaraan LNP’s hun naam danken.

Net als huishoudelijke artikelen van silicium, waarvan bekend is dat ze duurzaam en gemakkelijk te reinigen zijn, is uit eerder onderzoek gebleken dat siloxaancomposieten een hoge stabiliteit en lage toxiciteit hebben. “We probeerden te onderzoeken of deze eigenschappen konden worden benut om zeer stabiele en minimaal toxische LNP’s te ontwikkelen voor de afgifte van mRNA”, rapporteren de onderzoekers in het artikel.

Door honderden varianten van de nieuw gedoopte siloxaan-incorporerende lipidenanodeeltjes (SiLNP’s) zorgvuldig te testen, bepaalden de onderzoekers welke chemische kenmerken een effect hadden op de afgifte van mRNA.

“Het identificeren van hun in vivo levering was een enorme uitdaging”, zegt Lulu Xue, een postdoctoraal onderzoeker in het Mitchell Lab en een van de co-eerste auteurs van het artikel.

Het vinden van de juiste formule

In eerste instantie gebruikten de onderzoekers de SiLNP-varianten om mRNA-codering voor vuurvliegluciferase, het gen dat ervoor zorgt dat vuurvliegjes gloeien, af te leveren aan kankerachtige levercellen in een diermodel, als proxy voor het gebruik van SiLNP’s om leverkanker te behandelen. Waar cellen ook begonnen te gloeien, konden de onderzoekers erop vertrouwen dat SiLNP’s hun mRNA-lading naar cellen hadden overgebracht.

Toen er ook gloeiende cellen in de longen van de diermodellen verschenen, realiseerden de onderzoekers zich dat bepaalde SiLNP-varianten de moleculen buiten de lever leidden – de heilige graal van LNP-onderzoek, omdat LNP’s de neiging hebben zich in de lever te verzamelen, vanwege het ingewikkelde netwerk van dat orgaan. bloedvaten.

Onder de veranderingen die de groep identificeerde die het traject van de SiLNP’s aanpasten, waren aanpassingen zo klein als het vervangen van de ene chemische groep door een andere – in dit geval een amide door een ester – wat leidde tot een succespercentage van 90% bij het afleveren van mRNA aan longweefsel in het longweefsel. het diermodel.

“We hebben zojuist de structuur van de lipiden veranderd”, zegt Xue, “maar deze kleine verandering in de lipidenchemie verhoogde de extrahepatische afgifte aanzienlijk.”

Nieuwe effecten, nieuwe toepassingen

De groep stelde ook vast dat een grote verscheidenheid aan chemische factoren de algehele werkzaamheid van de SiLNP’s beïnvloedden, waaronder het aantal siliciumgroepen in de lipiden, de lengte van de staarten van de lipiden en de structuur van de lipiden zelf.

Bovendien hadden de SiLNP’s een duidelijke affiniteit voor endotheelcellen. Omdat bloedvaten zijn gemaakt van endotheelcellen, kunnen SiLNP’s klinische toepassingen hebben in de regeneratieve geneeskunde die zich richt op beschadigde bloedvaten, vooral in de longen.

De onderzoekers ontdekten inderdaad dat SiLNP’s die stoffen afleveren die de groei van nieuwe bloedvaten bevorderen, het zuurstofniveau in het bloed en de longfunctie dramatisch verbeterden in diermodellen die leden aan een virale infectie die de bloedvaten van hun longen beschadigde.

De onderzoekers theoretiseerden dat een reden voor de effectiviteit van SiLNP’s zou kunnen zijn dat siliciumatomen groter zijn dan koolstofatomen. Omdat de atomen minder dicht op elkaar zijn gepakt, zullen SiLNP’s, wanneer ze samensmelten met doelcelmembranen, waarschijnlijk de vloeibaarheid van de laatste vergroten.

Die extra flexibiliteit helpt op zijn beurt het mRNA dat door SiLNP’s wordt gedragen de doelcel binnen te dringen, zodat het mRNA kan worden gebruikt om gemakkelijker eiwitten te produceren. Terwijl de SiLNP’s door de bloedbaan reizen, helpen eiwitten die zich aan hun oppervlak hechten, hen ook naar het juiste weefsel te leiden.

Uiteindelijk vertoonden de SiLNP’s een zesvoudige verbetering in het leveren van mRNA vergeleken met de huidige gouden standaard LNP-variëteiten, wat suggereert dat de unieke eigenschappen van de siloxaancomposieten een uitgesproken effect hebben op het klinische potentieel van de moleculen.

“Deze SiLNP’s zijn veelbelovend voor eiwitvervangende therapieën, regeneratieve geneeskunde en op CRISPR-Cas gebaseerde genbewerking”, zegt Xue.

“We hopen dat dit artikel kan leiden tot nieuwe klinische toepassingen voor lipide-nanodeeltjes door te laten zien hoe eenvoudige wijzigingen in hun chemische structuur zeer specifieke mRNA-afgifte aan het betreffende orgaan mogelijk kunnen maken”, voegt Mitchell toe.