De hersenen ontsluiten: Peptidegeleide nanodeeltjes leveren mRNA aan neuronen

Penn Engineers hebben lipide nanodeeltjes (LNP’s) – de revolutionaire technologie achter de COVID-19 mRNA-vaccins – aangepast om niet alleen de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​te passeren, maar ook om zich op specifieke celtypen te richten, waaronder neuronen. Deze doorbraak markeert een belangrijke stap in de richting van mogelijke behandelingen van de volgende generatie voor neurologische ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson.

In een nieuw papier in Nano-brievenDe onderzoekers laten zien hoe peptiden (korte reeksen aminozuren) kunnen dienen als nauwkeurige richtmoleculen, waardoor LNP’s mRNA specifiek kunnen afleveren aan de endotheelcellen die de bloedvaten van de hersenen bekleden, evenals aan neuronen.

Dit vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang bij het leveren van mRNA aan de celtypen die van cruciaal belang zouden zijn bij de behandeling van neurodegeneratieve ziekten; dergelijke behandelingen zullen ervoor moeten zorgen dat mRNA op de juiste locatie arriveert. Eerder werk van dezelfde onderzoekers bewees dat LNP’s de BBB kunnen passeren en mRNA aan de hersenen kunnen afleveren, maar probeerden niet te controleren op welke cellen de LNP’s zich richtten.

“Ons eerste artikel was een proof-of-concept-ontwerp voor lipidenanodeeltjes”, zegt Michael J. Mitchell, universitair hoofddocent bio-engineering (BE) en senior auteur van het artikel.

“Het was alsof we lieten zien dat we een pakket van Pennsylvania naar Californië konden sturen, maar we hadden geen idee waar het in Californië terecht zou komen. Nu kunnen we met peptiden het pakket adresseren naar specifieke bestemmingen met gedeelde kenmerken, zoals elk huis met een rode brievenbus.”

De uitdaging om toegang te krijgen tot de hersenen

Het overschrijden van de BBB is moeilijk omdat de structuur is geëvolueerd om vrijwel alle gevaarlijke of vreemde moleculen buiten te houden, inclusief de meeste medicijnen; mRNA-moleculen zijn te groot om door de barrière te dringen, zoals de meeste farmaceutische producten. De BBB verwijdert ook actief materialen die zij gevaarlijk acht.

“Je kunt een behandeling rechtstreeks in de hersenen of de wervelkolom injecteren, maar dit zijn zeer invasieve procedures”, zegt Emily Han, een promovendus in het Mitchell Lab en de eerste auteur van het artikel.

Omdat de BBB vetoplosbare moleculen doorlaat (zoals alcohol en THC, wat de reden is dat deze stoffen de hersenen beïnvloeden), kunnen bepaalde formuleringen van LNP’s, die gedeeltelijk zijn gemaakt van dezelfde familie van vetverbindingen die in alledaagse oliën worden aangetroffen, in de hersenen terechtkomen. de hersenen.

Peptiden versus antilichamen

Tot nu toe heeft het meeste onderzoek naar het targeten van specifieke organen met LNP’s zich geconcentreerd op het combineren ervan met antilichamen, grote eiwitten die functioneren als biologische naamplaatjes. “Als je antilichamen op LNP’s aanbrengt, kunnen ze onstabiel worden en groter worden, waardoor het heel moeilijk wordt om door de barrière heen te komen”, zegt Han.

In tegenstelling tot antilichamen, die honderden aminozuren lang kunnen zijn, zijn peptiden slechts tientallen aminozuren lang. Door hun kleinere formaat zijn ze niet alleen gemakkelijker in grote aantallen op LNP’s te plaatsen, maar ook goedkoper te produceren. Het is ook veel minder waarschijnlijk dat peptiden dan antilichamen aggregeren tijdens de formulering van LNP of onbedoelde immuunreacties uitlokken.

De keuze om peptiden te gebruiken begon met een onverwachte ontmoeting tussen Han en een vleermuis die haar kamer binnenvloog, waardoor ze mogelijk werd blootgesteld aan hondsdolheid. Terwijl ze onderzoek deed naar de vaccins die ze tegen de ziekte kreeg, ontdekte Han dat een van de manieren waarop het rabiësvirus de BBB passeert, is via het glycoproteïne van het rabiësvirus.

“Toen kwam ik een van onze meest veelbelovende doelgerichte peptiden tegen”, zegt Han, een molecuul dat bekend staat als RVG29, een segment van 29 aminozuren van dat eiwit.

Het concept testen

Om te bevestigen dat de peptiden functioneerden zoals bedoeld, moesten de onderzoekers eerst verifiëren dat ze zich aan de LNP’s hielden. “Onze LNP’s zijn een complex mengsel van nucleïnezuren, lipiden en peptiden”, zegt Han. “We moesten de kwantificeringsmethoden optimaliseren om de peptiden te onderscheiden van al die andere signalen.”

Toen ze eenmaal wisten dat de peptiden zich aan de LNP’s hadden gehecht, moesten de onderzoekers bepalen of de peptide-gefunctionaliseerde LNP’s (pLNP’s) daadwerkelijk de beoogde doelen in diermodellen bereikten.

“Het is heel moeilijk op te zetten”, zegt Han, “omdat je in de hersenen zoveel verschillende celtypen en veel vet hebt die de metingen kunnen verstoren.”

Ruim zes maanden lang ontwikkelde Han nauwgezet een protocol om hersenweefsel zorgvuldig uit elkaar te halen, bijna zoals een monteur een motor demonteert.

Toekomstige richtingen

Vervolgens wil het team bepalen welk deel van de neuronen moet worden behandeld met pLNP’s om de symptomen op betekenisvolle wijze te verlichten of mogelijk neurologische ziekten te genezen. “Terugkomend op dezelfde analogie: moeten we deze naar elk huis met een rode brievenbus sturen, of slechts naar 10% van hen? Zou 10% van de neuronen genoeg zijn?” vraagt ​​Mitchell.

Het beantwoorden van deze vraag zal richting geven aan de ontwikkeling van nog efficiëntere toedieningsstrategieën, waardoor de belofte van op mRNA gebaseerde behandelingen voor de ziekte van Alzheimer, Parkinson en andere hersenziekten dichter bij de werkelijkheid komt.