Ontsnappen aan het endosoom: Bend -lipiden verbeteren LNP mRNA -afgifte en genbewerking

Telkens wanneer een shuttle zich aanmaakt met het internationale ruimtestation (ISS), ontvouwt zich een delicate dans tussen het dockingsysteem van de shuttle en zijn tegenhanger op het station. Dankzij internationale normen zijn deze mechanismen universeel compatibel, waardoor astronauten en vracht veilig en naadloos het station kunnen binnenkomen.

Een soortgelijke uitdaging ontstaat op microscopisch niveau wanneer lipide nanodeeltjes (LNP’s)-de revolutionaire voertuigen voor medicijnafgifte achter de COVID-19-vaccins-te maken hebben om mRNA aan cellen te leveren. Het optimaliseren van het ontwerp en de levering van LNP’s kan hun vermogen om mRNA met succes mRNA te leveren aanzienlijk verbeteren, waardoor cellen worden gemachtigd met de ziektebestrijdingsinstructies die nodig zijn om geneeskunde te transformeren.

Ontsnappen aan het endosoom

Helaas, zelfs wanneer LNP’s hun doelcellen bereiken, worden de nanodeeltjes meestal vastgelegd door endosomen – kleine beschermende zakjes in de cel. Als LNP’s niet kunnen ontsnappen, is het als een shuttle die vastloopt in het dockingproces, de veiligheid van het station net buiten bereik.

“Als het endosomale ontsnappingsproces niet plaatsvindt, raken LNP’s vast en kunnen ze geen therapeutische lading leveren”, zegt Michael J. Mitchell, universitair hoofddocent bio -engineering (BE) aan de University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science (Penn Engineering (Penn Engineering). “Ze kunnen het helemaal van een naald in de cel maken, maar als ze die laatste barrière niet openen, zijn ze nutteloos.”

Een nieuwe aanpak

Een paar jaar geleden deden onderzoekers van Carnegie Mellon University een intrigerende ontdekking: het toevoegen van een filiaal aan het einde van de normaal lineaire lipidenstaarten van LNP’s verbeterde mRNA -afgifte dramatisch. Deze ontdekking bracht Marshall Padilla, een postdoctorale kerel in het Mitchell Lab, ertoe aan te vragen zich af te vragen of het zou kunnen dienen als de sleutel tot het ontwikkelen van effectievere lipiden voor mRNA -afgifte.

“Elke dag maken onderzoekers nieuwe lipiden om de werkzaamheid en veiligheid van LNP’s te verbeteren”, zegt Padilla. “Maar we missen een duidelijke reeks regels voor het ontwerpen van betere lipiden.”

Het meeste onderzoek in het veld is als een gokspel. Onderzoekers testen grote bibliotheken van lipidevariaties, zonder volledig te begrijpen waarom sommigen beter werken dan anderen. Padilla, die een Ph.D. In de chemie van de Universiteit van Wisconsin-Madison, geloofde dat het mogelijk zou kunnen zijn om verder te gaan dan trial-and-error en lipiden te ontwerpen met vertakte staarten vanaf het begin om hun vermogen om te ontsnappen aan endosomen te verbeteren.

Introductie van Bend Lipiden

Een grote uitdaging bij het maken van deze verbeterde lipiden was de moeilijkheid om vertakte ioniseerbare lipiden te creëren – keycomponenten van LNP’s die hun leiding veranderen om hen te helpen ontsnappen aan het endosoom. Deze lipiden zijn niet commercieel verkrijgbaar in een vertakte vorm, dus Padilla moest ze zelf maken.

“Het belangrijkste probleem was het vormen van koolstof-koolstofbindingen, die notoir moeilijk zijn”, zegt Padilla. “Ik gebruikte een complexe mix van lithium, koper en magnesium om de reactie te laten werken.”

Het resultaat is een nieuwe klasse van lipiden die vertakte endosomale disruptor (bend) lipiden worden genoemd. Deze unieke, vertakte moleculen helpen LNP’s door het endosomale membraan te breken, waardoor ze effectiever worden in het leveren van mRNA- en gen-bewerkingstools.

Verbetering van mRNA -afgifte

In een studie in Natuurcommunicatie,, Mitchell, Padilla en hun medewerkers tonen aan dat buiglipiden de LNP-afgifte van mRNA- en genbewerkingstools verbeteren, in sommige gevallen met maar liefst tienvoudig.

Na het testen van buiglipiden in verschillende experimenten-van het bewerken van genen in levercellen tot het uitvoeren van complexe biochemische simulaties-concludeerden de onderzoekers dat Bend-lipiden betrouwbaar beter presteren dan de LNP’s die worden gebruikt door Moderna en Pfizer/Biontech, de makers van de COVID-19-vaccins.

“We ontdekten dat onze vertakkingsgroepen de lipiden toestaan ​​om de ontsnapping van onze lading uit het endosoom te vergemakkelijken, waar de meeste lading wordt vernietigd, in de cytosol, waar het zijn beoogde therapeutische effect kan uitvoeren”, zegt Padilla.

Betere therapieën ontwerpen

De onderzoekers hopen dat Bend-lipiden niet alleen de LNP-levering zullen verbeteren, maar ook een nieuwe benadering voor het ontwerpen van lipiden zullen inspireren, weg van proef- en ere-methoden. Met een beter begrip van hoe lipiden werken, kunnen onderzoekers nieuwe leveringsvoertuigen beter ontwikkelen voor geavanceerde behandelingen.

“Het testen van honderden tot duizenden LNP’s en zien welke werken kan een grote tijd, kosten en arbeidsbelasting zijn – veel laboratoria zijn niet in staat om dit te doen”, zegt Mitchell. “U wilt de regels weten, zodat u oplossingen efficiënt en kosteneffectief kunt ontwerpen.”