Nieuwe kleurgecodeerde test onthult snel of medische nanodeeltjes met succes hun nuttige lading hebben afgeleverd

Onderzoekers van Johns Hopkins Medicine hebben een kleurgecodeerde test ontwikkeld die snel aangeeft of nieuw ontwikkelde nanodeeltjes – ultrakleine compartimenten die zijn ontworpen om medicijnen, vaccins en andere therapieën te vervoeren – hun lading in doelcellen afleveren. Historisch gezien hebben nanodeeltjes een zeer lage afgiftesnelheid aan het cytosol, het binnencompartiment van cellen, waarbij slechts ongeveer 1% -2% van hun inhoud vrijkomt. De nieuwe testtool, speciaal ontwikkeld om nanodeeltjes te testen, zou de zoektocht naar biologische geneesmiddelen van de volgende generatie kunnen bevorderen. De technologie bouwt voort op nanodeeltjes die momenteel worden gebruikt tegen kanker en oogziekten, en in vaccins tegen virussen, waaronder SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

De onderzoekers rapporteren details van de tool, getest in muiscellen gekweekt in het laboratorium en in levende muizen, in het nummer van 5 januari van wetenschappelijke vooruitgang.

“Veel van de huidige beoordelingsinstrumenten voor nanodeeltjes testen alleen of een nanodeeltje een cel bereikt, niet of de therapie met succes kan ontsnappen aan de degraderende omgeving van het endosoom om het cytosol van de cel te bereiken, waar het medicijn moet worden gelokaliseerd voor prestaties”, zegt Jordan Green, Ph.D., hoogleraar biomedische technologie aan de Johns Hopkins University School of Medicine. De nieuwe tool is gemaakt om de locatie en het vrijkomen van nanodeeltjes te volgen, zei hij.

Eerder onderzoek heeft geschat dat slechts ongeveer 1%-2% van de nanodeeltjes die door cellen worden “opgegeten” in staat zijn om te ontsnappen aan de celcompartimenten die ze opsluiten om te voorkomen dat ze worden verteerd of “teruguitspugen”. Naast de eigenschappen van zijn lading, bepalen de chemische eigenschappen van een nanodeeltje of het door een cel wordt geaccepteerd en in staat is om zijn cellulaire afweer te ontwijken.

Om dergelijke obstakels voor de uiteindelijke levering te overwinnen, ontwierpen Green en zijn team een ​​screeningtool die honderden nanodeeltjesformuleringen beoordeelt op hun vermogen om niet alleen een cel te bereiken, maar ook op hoe efficiënt het nanodeeltje kan ontsnappen met zijn lading om het binnenste van een cel te bereiken.

De test maakt gebruik van muiscellen die in het laboratorium zijn gekweekt en die genetisch zijn gemanipuleerd om een ​​fluorescerende marker genaamd Gal8-mRuby te dragen, die oranjerood schijnt wanneer een cellulaire envelop die een nanodeeltje opslokt, wordt geopend en zijn lading in de cel vrijgeeft.

Beelden van het proces worden vervolgens geanalyseerd door een computerprogramma dat snel de locatie van de nanodeeltjes volgt met behulp van rood fluorescerend licht en kwantificeert hoe effectief de nanodeeltjes zijn bij het vrijkomen in de cel door de hoeveelheid oranjerood fluorescerend licht te beoordelen. Met deze techniek kan een laboratorium in een paar uur honderden unieke nanodeeltjes screenen voor aflevering, met gedetailleerde informatie over de opname van de nanodeeltjes en de aflevering van hun lading.

In experimenten met muizen hebben Green en zijn team biologisch afbreekbare nanodeeltjes toegediend die mRNA bevatten dat codeert voor een gen dat luciferase wordt genoemd en dat cellen laat gloeien. De onderzoekers volgden vervolgens of de muizencellen het gen accepteerden en begonnen het tot expressie te brengen – de doelcellen verlichtten als een bliksembeestje.

Het team van Green ontdekte dat de best presterende nanodeeltjes in de cellulaire tests een hoge positieve correlatie hadden met de genafgifteprestaties van nanodeeltjes bij levende muizen, wat aantoont dat de nanodeeltjestest een goede voorspeller is van succesvolle vrachtlevering.

In verdere muisstudies ontdekten de onderzoekers dat verschillende chemische groepscombinaties in de op polymeer gebaseerde nanodeeltjes ertoe leidden dat de nanodeeltjes zich op verschillende weefseltypes richtten. Door te analyseren hoe de deeltjes zich in het lichaam van de muis gedroegen, ontdekten de onderzoekers dat de chemische eigenschappen van polymeren de gentherapie van nanodeeltjes naar specifieke doelcellen kunnen leiden, zoals endotheelcellen in de longen of B-cellen in de milt.

“Door kleine chemische veranderingen te verfijnen, kunnen we een nanodeeltje naar specifieke weefsels en zelfs specifieke cellen sturen”, zegt Green. “Dit zou ons in staat stellen om nauwkeuriger geleverde therapieën te ontwikkelen, die zowel de werkzaamheid als de veiligheid zouden kunnen verbeteren.”

De levering van biologische geneesmiddelen door nanodeeltjes is een groeiend veld, met name voor gentherapieën en vaccins.

Andere onderzoekers die bij het onderzoek betrokken waren, zijn onder meer Yuan Rui, David R. Wilson, Stephany Y. Tzeng, Hannah M. Yamagata, Deepti Sudhakar, Cynthia A. Berlinicke en Donald J. Zack van de Johns Hopkins University School of Medicine; Marranne Conge van de Johns Hopkins University School of Medicine en Berea College; en Anthony Tuesca van AstraZeneca.