Ingenieurs van MIT en de University of Massachusetts Medical School hebben een nieuw type nanodeeltje ontworpen dat aan de longen kan worden toegediend, waar het boodschapper-RNA kan afleveren dat codeert voor nuttige eiwitten.
Met verdere ontwikkeling zouden deze deeltjes een inhaleerbare behandeling kunnen bieden voor cystische fibrose en andere longziekten, zeggen de onderzoekers.
“Dit is de eerste demonstratie van zeer efficiënte levering van RNA aan de longen bij muizen. We hebben goede hoop dat het kan worden gebruikt om een reeks genetische ziekten, waaronder cystische fibrose, te behandelen of te herstellen”, zegt Daniel Anderson, een professor aan de afdeling van het MIT. van Chemical Engineering en een lid van MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science (IMES).
In een onderzoek met muizen gebruikten Anderson en zijn collega’s de deeltjes om mRNA af te leveren dat codeert voor de machines die nodig zijn voor het bewerken van CRISPR/Cas9-genen. Dat zou de deur kunnen openen voor het ontwerpen van therapeutische nanodeeltjes die ziekteverwekkende genen kunnen uitknippen en vervangen.
De senior auteurs van de studie, die vandaag verschijnt in Natuur Biotechnologie, zijn Anderson; Robert Langer, professor aan het David H. Koch Instituut aan het MIT; en Wen Xue, universitair hoofddocent aan het RNA Therapeutics Institute van de UMass Medical School. Bowen Li, een voormalige MIT-postdoc die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Toronto; Rajith Singh Manan, een MIT-postdoc; en Shun-Qing Liang, een postdoc aan de UMass Medical School, zijn de hoofdauteurs van het papier.
Gericht op de longen
Messenger-RNA heeft een groot potentieel als therapeutisch middel voor de behandeling van een verscheidenheid aan ziekten die worden veroorzaakt door defecte genen. Een obstakel voor de inzet ervan tot nu toe was de moeilijkheid om het op het juiste deel van het lichaam af te leveren, zonder off-target effecten. Geïnjecteerde nanodeeltjes hopen zich vaak op in de lever, dus er zijn nu verschillende klinische onderzoeken gaande om mogelijke mRNA-behandelingen voor leveraandoeningen te evalueren. Op RNA gebaseerde COVID-19-vaccins, die rechtstreeks in spierweefsel worden geïnjecteerd, zijn ook effectief gebleken. In veel van die gevallen is mRNA ingekapseld in een lipidenanodeeltje – een vetachtige bol die mRNA beschermt tegen voortijdige afbraak en helpt om doelcellen binnen te dringen.
Enkele jaren geleden begon het laboratorium van Anderson met het ontwerpen van deeltjes die beter in staat zouden zijn om de epitheelcellen te transfecteren die het grootste deel van het slijmvlies van de longen vormen. In 2019 creëerde zijn laboratorium nanodeeltjes die mRNA, dat codeert voor een bioluminescent eiwit, aan longcellen zouden kunnen afleveren. Die deeltjes waren gemaakt van polymeren in plaats van lipiden, waardoor ze gemakkelijker konden worden verneveld voor inademing in de longen. Er is echter meer werk aan die deeltjes nodig om hun potentie te vergroten en hun bruikbaarheid te maximaliseren.
In hun nieuwe studie wilden de onderzoekers nanodeeltjes van lipiden ontwikkelen die zich op de longen zouden kunnen richten. De deeltjes zijn opgebouwd uit moleculen die uit twee delen bestaan: een positief geladen kopgroep en een lange lipidestaart. De positieve lading van de kopgroep helpt de deeltjes om te interageren met negatief geladen mRNA, en het helpt ook mRNA te ontsnappen uit de cellulaire structuren die de deeltjes overspoelen zodra ze de cellen binnenkomen.
De lipidestaartstructuur helpt ondertussen de deeltjes om door het celmembraan te gaan. De onderzoekers bedachten 10 verschillende chemische structuren voor de lipidestaarten, samen met 72 verschillende kopgroepen. Door verschillende combinaties van deze structuren bij muizen te screenen, konden de onderzoekers de structuren identificeren die het meest waarschijnlijk de longen zouden bereiken.
Efficiënte levering
In verdere tests bij muizen toonden de onderzoekers aan dat ze de deeltjes konden gebruiken om mRNA-coderende CRISPR / Cas9-componenten af te leveren die zijn ontworpen om een stopsignaal uit te schakelen dat genetisch was gecodeerd in de longcellen van de dieren. Als dat stopsignaal wordt weggenomen, gaat een gen voor een fluorescerend eiwit aan. Door dit fluorescerende signaal te meten, kunnen de onderzoekers bepalen welk percentage van de cellen het mRNA met succes tot expressie heeft gebracht.
Na één dosis mRNA was ongeveer 40 procent van de longepitheelcellen getransfecteerd, ontdekten de onderzoekers. Twee doses brachten het niveau op meer dan 50 procent en drie doses tot 60 procent. De belangrijkste doelwitten voor de behandeling van longziekte zijn twee soorten epitheelcellen, clubcellen en trilharencellen genaamd, en elk van deze is voor ongeveer 15 procent getransfecteerd.
“Dit betekent dat de cellen die we konden bewerken, echt de cellen zijn die van belang zijn voor longziekte”, zegt Li. “Dit lipide kan ons in staat stellen om mRNA veel efficiënter aan de longen af te leveren dan enig ander toedieningssysteem dat tot nu toe is gerapporteerd.”
De nieuwe deeltjes worden ook snel afgebroken, waardoor ze binnen enkele dagen uit de longen kunnen worden verwijderd en het risico op ontstekingen wordt verminderd. De deeltjes kunnen ook meerdere keren aan dezelfde patiënt worden toegediend als herhaalde doses nodig zijn. Dit geeft hen een voordeel ten opzichte van een andere benadering voor het leveren van mRNA, die een aangepaste versie van onschadelijke adenovirussen gebruikt. Die virussen zijn zeer effectief in het afleveren van RNA, maar kunnen niet herhaaldelijk worden gegeven omdat ze een immuunrespons in de gastheer opwekken.
Om de deeltjes in deze studie af te leveren, gebruikten de onderzoekers een methode genaamd intratracheale instillatie, die vaak wordt gebruikt als een manier om de afgifte van medicatie aan de longen te modelleren. Ze werken nu aan het stabieler maken van hun nanodeeltjes, zodat ze kunnen worden verneveld en geïnhaleerd met behulp van een vernevelaar.
De onderzoekers zijn ook van plan om de deeltjes te testen om mRNA af te leveren dat de genetische mutatie in het gen dat cystic fibrosis veroorzaakt, zou kunnen corrigeren, in een muismodel van de ziekte. Ze hopen ook behandelingen te ontwikkelen voor andere longziekten, zoals idiopathische longfibrose, evenals mRNA-vaccins die rechtstreeks in de longen kunnen worden toegediend.
Meer informatie:
Wen Xue, Combinatorisch ontwerp van nanodeeltjes voor pulmonale mRNA-afgifte en genoombewerking, Natuur Biotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41587-023-01679-x. www.nature.com/articles/s41587-023-01679-x
Tijdschrift informatie:
Natuur Biotechnologie
Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology