Kleine belletjes: astma behandelen met gen-uitschakeling nanocapsules

Op steroïden gebaseerde inhalatoren leveren levensreddende medicatie voor miljoenen astmapatiënten, bieden verlichting en kunnen eenvoudig ademen. Helaas werken inhalatoren niet voor alle patiënten, en met de stijgende cijfers voor een ziekte die wereldwijd elk jaar tot honderdduizenden sterfgevallen leidt, zijn nieuwe astmabehandelingen en -strategieën nodig.

Een team van UConn-onderzoekers – waaronder assistent-professor scheikunde aan het College of Liberal Arts and Sciences Jessica Rouge en universitair hoofddocent Pathobiologie aan het College of Agriculture, Health, and Natural Resources Steven Szczepanek – werken samen om nieuwe astmatherapieën te ontwikkelen met behulp van gen- het uitschakelen van nanocapsules om patiënten te helpen die geen baat hebben bij bestaande behandelingen. Hun onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano.

“Bij de behandeling van astma denken veel mensen aan ontstekingsremmende medicijnen met kleine moleculen, maar er zijn genoeg patiënten met astma die niet reageren op corticosteroïden”, zegt Rouge. “Er is een onvervulde behoefte aan het creëren van verschillende therapieën die astma voor deze groep mensen kunnen onderdrukken.”

Rouge’s onderzoeksgroep, waaronder co-auteurs Ph.D. student Shraddha Sawant en Alyssa Hartmann ’20 Ph.D., ontwerpen nanomaterialen en gerichte therapieën die genuitschakelingsboodschappen aan cellen leveren. Dit artikel beschrijft een nucleïnezuur-nanocapsule (NAN) die is ontworpen om selectief een enzym af te geven, een DNAzyme genaamd, om een ​​onderdeel van de immuunrespons, genaamd GATA-3, tot zwijgen te brengen, wat leidt tot overexpressie van immuuncomponenten die een belangrijke rol spelen. bij allergische astma-aanvallen.

Szczepanek legt uit dat er verschillende soorten astma zijn, en deze technologie is speciaal ontworpen om allergisch astma te behandelen, wat ongeveer 50% van de gevallen uitmaakt bij volwassenen en 90% bij kinderen. Op GATA-3 gebaseerde behandelingen zijn al veelbelovend in klinische onderzoeken, en Rouge zegt dat door de sequentie te combineren met nanotechnologie, ze hopen een efficiëntere manier van toediening en behandeling te bieden, rechtstreeks naar de bron van ontsteking.

“Als we nanomaterialen gebruiken, proberen we de therapie zo toe te dienen dat we minder materialen kunnen gebruiken om een ​​groter effect te krijgen”, zegt Rouge.

Hun systeem is gebaseerd op oppervlakteactieve stoffen die zich in micellen assembleren, vergelijkbaar met kleine belletjes, en in een stapsgewijs proces plaatsvinden, waardoor ze elk ongeveer 60 nanometer groot zijn.

“Eerst synthetiseren we iets dat een oppervlakteactieve stof wordt genoemd, het lijkt veel op zeep en vormt in wezen een zeepbel op nanoschaal. Daarna wijzigen we de oppervlaktechemie van deze bel zodat deze kan conjugeren of verbinding kan maken met DNA. De volgende stap, en wat uniek is voor ons laboratorium, is dat we enzymen gebruiken om het volgende stuk te bouwen om de DNA-sequentie te bevestigen die in wezen mRNA dat codeert voor GATA-3 klieft, “zegt Rouge.

De nanocaspules werden vervolgens gekarakteriseerd en gecontroleerd of ze de nucleïnezuurdoelcellijnen in vitro konden splitsen en de resultaten waren veelbelovend.

“We toonden aan dat deze genuitschakelingssequenties effectief werden afgeleverd met behulp van onze formulering en we zagen dat ze het gendoelwit van belang neerhaalden. Dat was een opwindende eerste stap”, zegt Rouge.

Rouge bracht de gegevens naar Szczepanek om te zien of zijn onderzoeksgroep, inclusief co-auteurs en afgestudeerde studenten Tyler Gavitt ’21 Ph.D. en Arlind Mara ’21 Ph.D., die respiratoire pathogenen en ziektepathologie bestudeert, zou geïnteresseerd zijn om samen te werken aan de volgende stappen van onderzoek om te zien hoe technologie in vivo presteerde en of het van klinische relevantie zou kunnen zijn.

Na astma te hebben bestudeerd als onderdeel van zijn postdoctoraal onderzoek en met zijn laboratorium uitgerust om de volgende stappen te nemen, zegt Szczepanek dat de samenwerking een natuurlijke match was.

“Ik dacht dat deze genuitschakelingstechnologie een fantastische toepassing was voor een astmatherapeuticum.”

De onderzoekers testten de werkzaamheid van GATA-3 DNAzyme-NAN in een muismodel met allergische astma dat gevoelig is voor huisstofmijt. De resultaten toonden aan dat de longen van muizen die met de NAN’s waren behandeld, minder ontstekingsschade hadden in vergelijking met de onbehandelde controlegroep. De behandeling verminderde ook de aanwezigheid van inflammatoire immuuncellen, eosinofielen genaamd, die bijdragen aan luchtwegobstructie (zie zijbalk).

“We zagen niet alleen een substantiële vermindering van astma-fenotypen in ons muismodel, maar we testten de GATA-3 DNAzyme-NAN’s in menselijke witte bloedcellen en zagen zowel de opname van de nanodeeltjes als de uitschakeling van de expressie van het gen van belang Deze combinatie van gegevens maakt me echt hoopvol over het translationele potentieel van de nanodeeltjes voor de menselijke gezondheid”, zegt Szczepanek.

Rouge wijst op een ander belangrijk detail: “Over het algemeen zou je denken dat wanneer je nanodeeltjes in onze longen stopt, ze ontstekingen kunnen veroorzaken. We waren echter erg enthousiast dat de nanodrager alleen bij de doses die we gebruikten geen ontsteking veroorzaakte.”

“Ik geloof dat ons unieke nanoconstruct een grote belofte inhoudt op het gebied van de levering van oligonucleotiden”, zegt Sawant. “Ik ben blij om deel uit te maken van dit gezamenlijke onderzoek, aangezien het het begin markeert van de ontwikkeling van de NAN als een effectieve in vivo nanodrager.”

Rouge zegt dat de volgende stap is om hopelijk NIH-financiering te krijgen om het onderzoek voort te zetten: “We willen uitzoeken, waar gaan deze nanocapsules naartoe? We moeten een biodistributiestudie doen en andere logische volgende stappen, zoals farmacokinetiek en bepalen hoe lang deze therapieën laatste in een organisme.”

De onderzoekers kregen onlangs een patent op de nanocapsule-formulering en hopen deze te commercialiseren. Szczepanek legt uit dat het team voor ogen heeft dat de technologie uiteindelijk via een inhalator aan de patiënt kan worden geleverd, zoals de huidige astmamedicatie is, en, afhankelijk van hoe het precies is geformuleerd, dat het zich zou kunnen richten op actieve ontsteking of als een profylactische maatregel. Rouge voegt eraan toe dat deze technologie het potentieel heeft om aanpasbaar te zijn.

“Het belangrijkste thema is dat verschillende mensen anders reageren op ziekten in het algemeen, dus er is potentieel voor gepersonaliseerde geneeskunde. We kijken naar een paradigmaverschuiving, want als je de genetica van iemand kent in termen van de intensiteit of overexpressie van een bepaald gen of als het wordt opgereguleerd, kunnen we het behandelen of op zijn minst onderdrukken.”

Wat veroorzaakt een astma-aanval?

Szczepanek legt uit dat allergische astma ontstaat wanneer het immuunsysteem gevoelig wordt voor iets alomtegenwoordigs en in het algemeen onschadelijk in het milieu, zoals huisstofmijt.

“Sensitisatie duwt de geheugencomponent van onze T-cellen in wat een Th2-fenotype wordt genoemd. T-cellen maken deel uit van ons adaptieve immuunsysteem dat eerdere blootstelling aan een stimulus ‘onthoudt’ waartegen we een immuunrespons moesten opbouwen. Meestal zijn dit bacteriën en virussen, wat een goede zaak is, omdat we ziekteverwekkers zoals griep willen onthouden, maar het is niet goed als je een immuunrespons opbouwt tegen stof dat de hele tijd in de lucht hangt, omdat het kan leiden tot enkele behoorlijk ernstige bijwerkingen.”

Resultaten en ernst variëren van persoon tot persoon, zegt Szczepanek.

“We zien ontstekingen van de luchtwegen als gevolg van meer immuuncellen die hun weg vinden naar de luchtruimten, en dat zal de luchtwegen kleiner maken. Die cellen activeren slijmbekercellen in de luchtwegen, dat zijn cellen die slijm produceren en wanneer je hyperactiveert deze slijmbekercellen, je krijgt tonnen slijm in de luchtwegen die al ontstoken en dus vernauwend zijn. Dat zorgt voor steeds meer problemen en vermindert het vermogen van een astmapatiënt om te ademen tijdens een astma-aanval. En als laatste krijg je ook bronchoconstrictie, die optreedt wanneer de laag gladde spieren rond de bronchiolen van de longen vernauwt. Het is een aanzienlijk probleem voor de volksgezondheid omdat een zeer groot deel van de bevolking vatbaar is voor het ontwikkelen van astma.”