Ingenieurs verfijnen lipide-nanodeeltjes voor betere mRNA-therapieën

Penn Engineers hebben een nieuwe manier bedacht om de afgifte van mRNA te verbeteren, door een optimaal ‘recept’ te ontwikkelen voor ioniseerbare lipiden – belangrijke ingrediënten in lipide nanodeeltjes (LNP’s), de moleculen achter de COVID-19-vaccins en andere innovatieve therapieën. De methode, beschreven in Natuur Biomedische Technologieweerspiegelt het iteratieve proces van het ontwikkelen van een culinair gerecht en kan leiden tot veiligere, effectievere mRNA-vaccins en therapieën.

Net zoals een chef-kok een gerecht perfectioneert door te experimenteren met smaken en texturen, gebruikten de onderzoekers een iteratief proces, waarbij variaties werden getest om de ideale structuur voor het ioniseerbare lipide te vinden. De structuur van dit lipide beïnvloedt het vermogen van LNP’s om hun inhoud met succes af te leveren en bevordert mRNA-therapieën voor vaccins en genbewerking.

Een doorbraak in LNP-ontwerp

Nanodeeltjes hebben de manier veranderd waarop mRNA-vaccins en therapieën worden toegediend, doordat ze veilig door het lichaam kunnen reizen, doelcellen kunnen bereiken en hun inhoud efficiënt kunnen vrijgeven. Op zichzelf is RNA kwetsbaar en zou anders oplossen zonder ooit het beoogde doel te bereiken.

De kern van deze nanodeeltjes bestaat uit ioniseerbare lipiden, speciale moleculen die kunnen schakelen tussen geladen en neutrale toestanden, afhankelijk van hun omgeving. Deze schakelaar is essentieel voor de reis van het nanodeeltje. In de bloedbaan blijven ioniseerbare lipiden neutraal, waardoor toxiciteit wordt voorkomen. Maar eenmaal in de doelcel worden ze positief geladen, waardoor de mRNA-lading vrijkomt.

Onder leiding van Michael J. Mitchell, universitair hoofddocent bio-engineering, verfijnden de onderzoekers dit leveringsproces door de structuur van ioniseerbare lipiden te optimaliseren. Het team ging verder dan de bestaande methoden die beperkt werden door de afweging tussen snelheid en nauwkeurigheid en ontwikkelde een stapsgewijs proces van ‘gerichte chemische evolutie’.

Gedurende vijf cycli, waarbij elke cyclus de lipiden verder verfijnde, creëerden ze tientallen goed presterende, biologisch afbreekbare lipiden – waarvan sommige zelfs de industrienormen overtreffen.

De geheime saus: gerichte chemische evolutie

Om veiligere, effectievere ioniseerbare lipiden te ontwikkelen, gebruikten de Penn Engineers een unieke aanpak die twee heersende methoden combineert: medicinale chemie, waarbij langzaam en moeizaam moleculen stap voor stap worden ontworpen, en combinatorische chemie, waarbij veel verschillende moleculen snel worden gegenereerd door simpele reacties. De eerste heeft een hoge nauwkeurigheid maar een lage snelheid, terwijl de laatste een lage nauwkeurigheid en hoge snelheid heeft.

“We dachten dat het mogelijk zou zijn om het beste van twee werelden te bereiken”, zegt Xuexiang Han, de eerste auteur van het artikel en, tot voor kort, een postdoctoraal onderzoeker in het Mitchell Lab. “Hoge snelheid en hoge nauwkeurigheid, maar we moesten buiten de traditionele grenzen van het veld denken.”

Door het idee van gerichte evolutie te lenen, een techniek die zowel in de scheikunde als in de biologie wordt gebruikt en die het proces van natuurlijke selectie nabootst, combineerden de onderzoekers precisie met snelle output om hun ideale lipidenrecept te bereiken.

Het proces begint met het genereren van een grote verscheidenheid aan moleculen, die worden gescreend op hun vermogen om mRNA af te leveren. De best presterende lipiden worden vervolgens gebruikt als uitgangspunt voor het genereren van een nieuwe ronde van moleculaire varianten, enzovoort, totdat alleen de goed presterende varianten overblijven.

Een innovatief ingrediënt: A³ koppeling

Een cruciale bijdrage aan het recept van het team voor verbeterde ioniseerbare lipiden is A³ koppeling, een driecomponentenreactie genoemd naar de chemische ingrediënten: een amine, een aldehyde en een alkyn.

De reactie, die nooit is gebruikt om ioniseerbare lipiden voor LNP’s te synthetiseren, maakt gebruik van goedkope, in de handel verkrijgbare ingrediënten en produceert alleen water als bijproduct, waardoor het een kosteneffectieve en milieuvriendelijke keuze is voor het snel produceren van de grote aantallen benodigde ioniseerbare lipidenvarianten. als ingrediënten voor gerichte evolutie.

‘We hebben ontdekt dat de A³ De reactie was niet alleen efficiënt, maar ook flexibel genoeg om nauwkeurige controle over de moleculaire structuur van de lipiden mogelijk te maken”, zegt Mitchell. Deze flexibiliteit was de sleutel tot het verfijnen van de ioniseerbare lipide-eigenschappen voor een veilige en effectieve afgifte van mRNA.

Waarom deze vooruitgang ertoe doet

Deze nieuwe methode voor het ontwerpen van ioniseerbare lipiden zal naar verwachting brede implicaties hebben voor op mRNA gebaseerde vaccins en therapieën, die klaar zijn om een ​​reeks aandoeningen te behandelen, van genetische aandoeningen tot infectieziekten.

In dit werk verbeterden de geoptimaliseerde lipiden de mRNA-afgifte in preklinische modellen voor twee toepassingen met hoge prioriteit: het bewerken van genen die erfelijke amyloïdose veroorzaken, een zeldzame ziekte die resulteert in abnormale eiwitafzettingen door het hele lichaam, en het verbeteren van de afgifte van het COVID-19 mRNA-vaccin. . In beide gevallen vertoonden de ontwikkelde lipiden betere prestaties dan de huidige industriestandaard lipiden.

Naast deze specifieke toepassingen heeft de nieuwe aanpak het potentieel om de ontwikkeling van mRNA-therapieën in het algemeen te versnellen. Hoewel het jaren kan duren om een ​​effectief lipide te ontwikkelen met behulp van traditionele methoden, zou het gerichte evolutieproces van het team deze tijdlijn kunnen terugbrengen tot slechts maanden of zelfs weken.

“Onze hoop is dat deze methode de pijplijn voor mRNA-therapieën en vaccins zal versnellen, waardoor patiënten sneller dan ooit tevoren nieuwe behandelingen zullen krijgen”, zegt Mitchell.

Een nieuwe grens voor de levering van mRNA

LNP’s vertegenwoordigen een veilige, flexibele manier om genetisch materiaal af te leveren, maar hun succes hangt af van de eigenschappen van hun ioniseerbare lipiden. Het iteratieve ontwerpproces van Penn Engineers stelt onderzoekers in staat deze lipiden met ongekende snelheid en precisie te verbeteren, waardoor de volgende generatie mRNA-therapieën dichter bij de realiteit komt.

Met dit innovatieve recept voor LNP’s hebben Penn Engineers een grote stap voorwaarts gezet in de vooruitgang van de mRNA-technologie, wat hoop biedt op een sneller en efficiënter pad naar levensveranderende behandelingen.