Ingenieurs maken nanodeeltjes die hulpmiddelen voor het bewerken van genen leveren aan specifieke weefsels en organen

Een van de meest opmerkelijke recente vorderingen in biomedisch onderzoek is de ontwikkeling van zeer gerichte methoden voor het bewerken van genen, zoals CRISPR, die met grote precisie een gen in een cel kunnen toevoegen, verwijderen of veranderen. De methode wordt al getest of gebruikt voor de behandeling van patiënten met sikkelcelanemie en kankers zoals multipel myeloom en liposarcoom, en vandaag ontvingen de makers ervan Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna de Nobelprijs voor scheikunde.

Hoewel het bewerken van genen opmerkelijk nauwkeurig is bij het vinden en veranderen van genen, is er nog steeds geen manier om de behandeling op specifieke locaties in het lichaam te richten. De behandelingen die tot nu toe zijn getest, omvatten het verwijderen van bloedstamcellen of T-cellen van het immuunsysteem uit het lichaam om ze te modificeren, en ze vervolgens terug te infunderen bij een patiënt om de bloedbaan opnieuw te bevolken of een immuunrespons te herstellen – een duur en tijdrovend proces.

Voortbouwend op de prestaties van Charpentier en Doudna, hebben Tufts-onderzoekers voor het eerst een manier bedacht om pakketten voor het bewerken van genen op efficiënte wijze door de bloed-hersenbarrière heen te brengen en in specifieke gebieden van de hersenen, in cellen van het immuunsysteem of in specifieke weefsels organen in muismodellen. Deze toepassingen zouden een geheel nieuwe strategie kunnen openen bij de behandeling van neurologische aandoeningen, evenals kanker, infectieziekten en auto-immuunziekten.

Een team van biomedische ingenieurs van Tufts, geleid door universitair hoofddocent Qiaobing Xu, zocht een manier om de “genbewerkingskit” zo te verpakken dat het geïnjecteerd kon worden om zijn werk in het lichaam te doen op gerichte cellen, in plaats van in een laboratorium.

Ze gebruikten lipidenanodeeltjes (LNP’s) – kleine ‘bubbels’ van lipidemoleculen die de bewerkingsenzymen kunnen omhullen en naar specifieke cellen, weefsels of organen kunnen transporteren. Lipiden zijn moleculen met een lange koolstofstaart, waardoor ze een “olieachtige” consistentie krijgen, en een hydrofiele kop, die wordt aangetrokken door een waterige omgeving.

Er is ook typisch een stikstof-, zwavel- of zuurstofverbinding tussen de kop en de staart. De lipiden rangschikken zich rond de bubbelnanodeeltjes met de koppen naar buiten en de staarten naar binnen gericht naar het midden.

Het team van Xu was in staat om het oppervlak van deze LNP’s aan te passen, zodat ze uiteindelijk aan bepaalde celtypen kunnen “plakken”, kunnen samensmelten met hun membranen en de genen-bewerkingsenzymen in de cellen kunnen afgeven om hun werk te doen.

Het maken van een gerichte LNP vereist enige chemische bewerking.

Door een mix van verschillende koppen, staarten en linkers te creëren, kunnen de onderzoekers – eerst in het laboratorium – een breed scala aan kandidaten screenen op hun vermogen om LNP’s te vormen die gericht zijn op specifieke cellen. De beste kandidaten kunnen vervolgens worden getest in muismodellen en verder chemisch worden gemodificeerd om de targeting en levering van de gen-bewerkingsenzymen aan dezelfde cellen in de muis te optimaliseren.

“We hebben een methode ontwikkeld om het leveringspakket af te stemmen op een breed scala aan potentiële therapieën, waaronder genbewerking”, aldus Xu. “De methoden zijn gebaseerd op combinatorische chemie die door de farmaceutische industrie wordt gebruikt voor het ontwerpen van de medicijnen zelf, maar in plaats daarvan passen we de benadering toe bij het ontwerpen van de componenten van het toedieningsmiddel.”

In een ingenieus stukje chemische modellering gebruikten Xu en zijn team een ​​neurotransmitter aan het hoofd van sommige lipiden om de deeltjes te helpen de bloed-hersenbarrière te passeren, die anders ondoordringbaar zou zijn voor moleculen zo groot als een LNP.

Het vermogen om medicijnen veilig en efficiënt over de barrière en in de hersenen te brengen, is al lang een uitdaging in de geneeskunde. In een primeur leverde het laboratorium van Xu een heel complex van boodschapper-RNA’s en enzymen die de CRISPR-kit vormen, af in gerichte hersengebieden van een levend dier.

Enkele kleine aanpassingen aan de lipidenlinkers en -staarten hielpen bij het creëren van LNP’s die in de hersenen het kleine molecuul antischimmelmedicijn amfotericine B (voor de behandeling van meningitis) en een DNA-fragment dat zich bindt aan en het gen dat het tau-eiwit produceert dat verband houdt met de ziekte van Alzheimer, in de hersenen kunnen afgeven. ziekte.

Meer recentelijk hebben Xu en zijn team LNP’s gemaakt om genbewerkingspakketten in T-cellen in muizen af ​​te leveren. T-cellen kunnen helpen bij de productie van antilichamen, geïnfecteerde cellen vernietigen voordat virussen zich kunnen vermenigvuldigen en verspreiden, en kunnen andere cellen van het immuunsysteem reguleren en onderdrukken.

De LNP’s die ze hebben gemaakt, versmelten met T-cellen in de milt of lever – waar ze zich doorgaans bevinden – om de inhoud van het bewerken van genen af ​​te leveren, die vervolgens de moleculaire samenstelling en het gedrag van de T-cel kan veranderen. Het is een eerste stap in het proces om niet alleen het immuunsysteem te trainen, zoals je zou kunnen doen met een vaccin, maar het daadwerkelijk te ontwikkelen om ziekten beter te bestrijden.

Xu’s benadering van het bewerken van T-celgenomen is veel gerichter, efficiënter en waarschijnlijk veiliger dan methoden die tot nu toe zijn geprobeerd met virussen om hun genoom te wijzigen.

“Door ons te richten op T-cellen, kunnen we een tak van het immuunsysteem aanboren die enorm veelzijdig is in het bestrijden van infecties, bescherming tegen kanker en het moduleren van ontstekingen en auto-immuniteit”, zei Xu.

Xu en zijn team verkenden verder het mechanisme waarmee LNP’s hun weg naar hun doelen in het lichaam zouden kunnen vinden. In experimenten gericht op cellen in de longen ontdekten ze dat de nanodeeltjes na injectie specifieke eiwitten in de bloedbaan oppikten.

De eiwitten, die nu in het oppervlak van de LNP’s zijn opgenomen, werden de belangrijkste component die de LNP’s hielpen om zich aan hun doelwit vast te houden. Deze informatie kan het ontwerp van toekomstige afleveringsdeeltjes helpen verbeteren.

Hoewel deze resultaten zijn aangetoond bij muizen, waarschuwde Xu dat er meer studies en klinische onderzoeken nodig zullen zijn om de werkzaamheid en veiligheid van de toedieningsmethode bij mensen te bepalen.