Nanodeeltjesonderzoekers ontwikkelen een microfluïdisch platform voor een betere levering van gentherapie voor longziekten

Onderzoekers op het gebied van medicijnafgifte aan de Oregon State University hebben een apparaat ontwikkeld met het potentieel om de gentherapie te verbeteren voor patiënten met erfelijke longziekten zoals cystische fibrose.

In celcultuur- en muismodellen demonstreerden wetenschappers van het OSU College of Pharmacy een nieuwe techniek voor de aerosolisatie van inhaleerbare nanodeeltjes die kunnen worden gebruikt om messenger RNA, de technologie die ten grondslag ligt aan COVID-19-vaccins, naar de longen van patiënten te transporteren.

De bevindingen zijn belangrijk omdat de huidige vernevelingsmethode voor nanodeeltjes hen onderwerpt aan schuifspanning, waardoor hun vermogen om het genetische materiaal in te kapselen wordt belemmerd en ervoor wordt gezorgd dat ze zich in bepaalde delen van de longen aggregeren in plaats van zich gelijkmatig te verspreiden, aldus de onderzoekers.

Het onderzoek onder leiding van Gaurav Sahay, hoogleraar farmaceutische wetenschappen, was dat wel gepubliceerd in ACS Nano.

Het laboratorium van Sahay bestudeert lipide-nanodeeltjes, of LNP's, als genoverdrachtsvehikel met een focus op cystische fibrose, een progressieve genetische aandoening die resulteert in aanhoudende longinfectie en die 30.000 mensen in de VS treft, waarbij jaarlijks ongeveer 1.000 nieuwe gevallen worden geïdentificeerd.

Eén defect gen – de cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, of CFTR – veroorzaakt de ziekte, die wordt gekenmerkt door uitdroging van de longen en ophoping van slijm die de luchtwegen blokkeert.

Lipiden zijn organische verbindingen die vette staarten bevatten en worden aangetroffen in veel natuurlijke oliën en wassen, en nanodeeltjes zijn kleine stukjes materiaal variërend in grootte van één tot 100 miljardsten van een meter. Messenger RNA geeft instructies aan cellen voor het maken van een bepaald eiwit.

Bij de coronavirusvaccins instrueert het mRNA dat door de lipide-nanodeeltjes wordt gedragen de cellen om een ​​onschadelijk stukje van het piekeiwit van het virus te maken, wat een immuunreactie van het lichaam teweegbrengt. Als therapie voor cystische fibrose zou het genetische materiaal de fout in het CFTR-gen van patiënten herstellen.

“We hebben een nieuwe microfluïdische chip gebruikt die helpt bij het genereren van pluimen die nanodeeltjes dragen en geen schuifspanning veroorzaakt”, zei Sahay. “Dit apparaat is gebaseerd op het vergelijkbare idee van een inkjetcartridge die pluimen genereert om woorden op papier af te drukken.”

Vier jaar geleden, zei Sahay, nam een ​​in Oregon gevestigde startup genaamd Rare Air Health Inc. contact met hem op over het vooruitzicht om microfluïdische technologie te gebruiken voor de aërosolisatie en afgifte van lipide nanodeeltjes.

Microfluidics is de studie van hoe vloeistoffen zich gedragen terwijl ze reizen door of worden opgesloten in microgeminiaturiseerde apparaten die zijn uitgerust met kanalen en kamers. Oppervlaktekrachten domineren vloeistoffen op microschaal, in tegenstelling tot volumetrische krachten, wat betekent dat vloeistoffen zich daar veel anders gedragen dan wat in het dagelijks leven wordt waargenomen.

“Toen Rare Air bij mij kwam, dacht ik dat het apparaat prima zou kunnen werken voor onze doeleinden, en wat volgde waren uitgebreide onderzoeken die de superioriteit van dit apparaat aantoonden bij het genereren van nanodeeltjes in aërosol vergeleken met klinisch gebruikte vibrerende mesh-vernevelaars,” zei Sahay.

“Het apparaat laat de nanodeeltjes niet aggregeren en kan mRNA met een hogere precisie leveren dan bestaande technologie. Het leuke is dat dit apparaat digitaal kan worden bestuurd, en Rare Air ontwikkelt prototypes voor menselijk gebruik.”

Naast Sahay waren de andere Oregon State-onderzoekers die aan het onderzoek deelnamen Yulia Eygeris, Jeonghwan Kim, Antony Jozić en Elissa Bloom. Wetenschappers van Funai Microfluidic Systems uit Lexington, Kentucky, maakten ook deel uit van de samenwerking.

“Funai richt zich op inkjettechnologie en het op grote schaal bouwen van deze chips; ze hebben nauw samengewerkt om het apparaat geschikt te maken voor aerosolisatie”, zegt Sahay, die naast zijn rol bij OSU fungeert als adviseur en consultant voor Rare Air. “Deze studie toont een huwelijk aan tussen nieuwe apparaten en formuleringswetenschap die een enorme impact kunnen hebben op de menselijke gezondheid.”