Door nanodeeltjes geleverd RNA vermindert neuro-ontsteking in laboratoriumtests

Sommige COVID-19-vaccins worden veilig en effectief gebruikt lipide nanodeeltjes (LNP’s) om boodschapper-RNA aan cellen af ​​te leveren. Een nieuwe MIT-studie toont aan dat verschillende nanodeeltjes kunnen worden gebruikt voor een mogelijke therapie voor de ziekte van Alzheimer. In tests in meerdere muismodellen en met gekweekte menselijke cellen leverde een nieuw op maat gemaakte LNP-formulering effectief klein interfererend RNA (siRNA) af aan de microglia-immuuncellen van de hersenen om de expressie te onderdrukken van een eiwit dat verband houdt met overmatige ontstekingen bij de ziekte van Alzheimer.

In een eerdere studie zeiden de onderzoekers liet zien dat het blokkeren van de gevolgen van PU.1-eiwitactiviteit de neuro-inflammatie en pathologie die verband houdt met de ziekte van Alzheimer helpt verminderen. De nieuwe resultaten, gemeld in het journaal Geavanceerde materialeneen vermindering van ontstekingen bereiken door de expressie van het Spi1-gen dat codeert voor PU.1 direct aan te pakken.

Meer in het algemeen demonstreert de nieuwe studie ook een nieuwe manier om RNA af te leveren aan microglia, die tot nu toe moeilijk te targeten waren.

Mede-senior auteur van het onderzoek Li-Huei Tsai, Picower hoogleraar neurowetenschappen en directeur van het Picower Institute for Learning and Memory and Aging Brain Initiative, zei dat ze de hypothese had dat LNP’s zouden kunnen werken als een manier om siRNA in microglia te brengen, omdat de cellen, die zuiveren afval in de hersenen, hebben een sterke neiging om lipidemoleculen op te nemen.

Ze besprak dit met Robert Langer, hoogleraar aan het David Koch Instituut, die algemeen bekend staat om zijn baanbrekende werk op het gebied van de toediening van medicijnen via nanodeeltjes; ze besloten het idee te testen om de PU.1-expressie te verminderen met een door LNP geleverd siRNA.

“Ik herinner me nog de dag waarop ik Bob vroeg om het idee te bespreken om LNP’s te testen als een nuttige lading om inflammatoire microglia aan te pakken”, zegt Tsai, faculteitslid bij de afdeling Hersen- en Cognitieve Wetenschappen. “Ik ben de JPB Foundation zeer dankbaar, die dit idee steunde zonder enig voorlopig bewijs.”

Langer Lab-student Jason Andresen en voormalig Tsai Lab-postdoc William Ralvenius leidden het werk en zijn de co-hoofdauteurs van het onderzoek. Owen Fenton, een voormalige postdoc van Langer Lab en nu assistent-professor aan de Eshelman School of Pharmacy van de Universiteit van North Carolina, is samen met Tsai en Langer een co-corresponderend auteur. Langer is hoogleraar chemische technologie, biologische technologie en het Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Een deeltje perfectioneren

De eenvoudigste manier om te testen of siRNA de PU.1-expressie therapeutisch zou kunnen onderdrukken zou zijn geweest om gebruik te maken van een reeds beschikbaar toedieningsapparaat, maar een van de eerste ontdekkingen in het onderzoek is dat geen van de acht in de handel verkrijgbare reagentia gekweekte bacteriën veilig en effectief kan transfecteren menselijke microglia-achtige cellen in het laboratorium.

In plaats daarvan moest het team een ​​LNP optimaliseren om de klus te klaren. LNP’s hebben vier hoofdcomponenten, en door de structuren van twee ervan te veranderen en de verhouding tussen lipiden en RNA te variëren, konden de onderzoekers zeven formuleringen bedenken om te proberen. Belangrijk is dat hun tests onder meer bestonden uit het uitproberen van hun formuleringen op gekweekte microglia die ze in een ontstekingstoestand hadden gebracht. Die toestand is immers de toestand waarin de voorgestelde behandeling nodig is.

Van de zeven kandidaten viel er één, het team genaamd “MG-LNP”, op vanwege zijn bijzonder hoge leveringsefficiëntie en veiligheid van een test-RNA-lading.

Wat in een gerecht werkt, werkt soms niet in een levend organisme, dus testte het team vervolgens de effectiviteit en veiligheid van hun LNP-formuleringen bij muizen. Door twee verschillende injectiemethoden te testen, in het lichaam of in het hersenvocht, ontdekten ze dat injectie in het hersenvocht een veel grotere werkzaamheid garandeerde bij het richten op microglia zonder de cellen in andere organen te beïnvloeden.

Van de zeven formuleringen bleek MG-LNP opnieuw het meest effectief bij het transfecteren van microglia. Langer zei dat hij gelooft dat dit op een dag mogelijk nieuwe manieren zou kunnen openen om bepaalde hersenziekten met nanodeeltjes te behandelen.

Een gerichte therapie

Toen ze eenmaal wisten dat MG-LNP een testlading aan microglia kon leveren, zowel in menselijke celculturen als in muizen, testten de wetenschappers vervolgens of het gebruik ervan om een ​​PU.1-onderdrukkend siRNA af te leveren de ontstekingen in microglia kon verminderen. In de celculturen bereikte een relatief lage dosis een vermindering van 42 procent van de PU.1-expressie (wat goed is omdat microglia op zijn minst wat PU.1 nodig hebben om te leven).

MG-LNP-transfectie veroorzaakte inderdaad geen enkele schade aan de cellen. Het verminderde ook aanzienlijk de transcriptie van de genen die de PU.1-expressie verhogen in microglia, wat aangeeft dat het meerdere ontstekingsmarkers kan verminderen.

Bij al deze en andere metingen presteerde MG-LNP beter dan een in de handel verkrijgbaar reagens genaamd RNAiMAX, dat de wetenschappers parallel testten.

“Deze bevindingen ondersteunen het gebruik van MG-LNP-gemedieerde anti-PU.1 siRNA-afgifte als een potentiële therapie voor neuro-inflammatoire ziekten”, schreven de onderzoekers.

De laatste reeks tests evalueerde de prestaties van MG-LNP en leverde het siRNA op in twee muismodellen van ontstekingen in de hersenen. In één daarvan werden muizen blootgesteld aan LPS, een molecuul dat een infectie simuleert en een systemische ontstekingsreactie stimuleert. In het andere model vertonen muizen ernstige neurodegeneratie en ontstekingen wanneer een enzym genaamd CDK5 hyperactief wordt door een eiwit genaamd p25.

In beide modellen verminderde injectie van MG-LNP’s die het anti-PU.1-siRNA dragen de expressie van PU.1 en ontstekingsmarkers, net zoals in gekweekte menselijke cellen.

“MG-LNP-afgifte van anti-PU.1-siRNA kan mogelijk worden gebruikt als een ontstekingsremmend therapeutisch middel bij muizen met systemische ontstekingen en in het CK-p25-muismodel van AD-achtige neuro-inflammatie”, concludeerden de wetenschappers en noemden de resultaten een ‘proof-of-principle’. Er zullen meer tests nodig zijn voordat het idee bij menselijke patiënten kan worden uitgeprobeerd.