Unieke mRNA-afleveringsmethode zou defecte genen vóór de geboorte kunnen repareren

Een nieuwe studie toont aan dat een biomedisch hulpmiddel met succes genetisch materiaal kan leveren om defecte genen in de ontwikkeling van foetale hersencellen te bewerken. De technologie, getest op muizen, zou het potentieel kunnen hebben om de progressie van op genetische gebaseerde neurologische aandoeningen, zoals het Angelman-syndroom en het Rett-syndroom, vóór de geboorte te stoppen.

“De implicaties van dit hulpmiddel voor de behandeling van neurologische aandoeningen zijn diepgaand. We kunnen mogelijk genetische afwijkingen op een fundamenteel niveau corrigeren tijdens kritieke perioden van de hersenontwikkeling”, zegt senior auteur van het onderzoek, Aijun Wang, hoogleraar chirurgie en biomedische technologie aan de UC Davis.

De studie, een samenwerking tussen het Wang Lab en het Murthy Lab van UC Berkeley, is dat wel gepubliceerd in ACS Nano. Het team hoopt deze technologie te ontwikkelen tot behandelingen voor genetische aandoeningen die kunnen worden gediagnosticeerd tijdens prenatale tests. De behandelingen kunnen in de baarmoeder worden gegeven om meer schade te voorkomen naarmate de cellen zich ontwikkelen en rijpen.

Een complex transportsysteem met een revolutionaire bezorgmethode

Eiwitten spelen een cruciale rol in de manier waarop ons lichaam functioneert. Ze worden in cellen geassembleerd op basis van instructies van messenger RNA (mRNA). Bij bepaalde genetische aandoeningen brengen (produceren) de genen meer of minder eiwitten tot expressie dan het lichaam nodig heeft. In dergelijke gevallen kan het lichaam ontregeld raken en moet het een overactief gen uitschakelen of de lage eiwitniveaus aanvullen.

“Eiwitten hebben grote en complexe structuren, waardoor ze moeilijk te leveren zijn”, zei Wang. “Hun levering blijft een enorme uitdaging en een droom voor de behandeling van ziekten.”

In plaats van eiwitten af ​​te leveren, hebben wetenschappers een manier gevonden om mRNA aan cellen af ​​te leveren, dat vervolgens wordt vertaald naar functionele eiwitten in de cellen. Deze toedieningsmethode maakt gebruik van een unieke formulering van lipide-nanodeeltjes (LNP) om mRNA te dragen. Het doel is om mRNA-genetisch materiaal in de cellen te introduceren (transfecteren). Het mRNA zou dan instructies vertalen om eiwitten te bouwen.

De levering van mRNA met behulp van LNP transformeert nu al de behandeling van ziekten. Het heeft toepassingen bij de ontwikkeling van vaccins, genbewerking en eiwitvervangingstherapie. Onlangs is de afgifte van mRNA populairder geworden door het gebruik ervan in de COVID-19-vaccins van Pfizer en Moderna.

Belang van efficiëntie bij LNP-afgifte van mRNA

In een recente Natuur Nanotechnologie papierWang, Murthy en hun team beschreven een nieuwe LNP-formulering om mRNA veilig en efficiënt af te leveren. LNP’s die mRNA dragen, moeten de cellen bereiken, waar ze worden opgenomen via een proces dat bekend staat als endocytose. Daar breekt de cel de LNP-drager, waardoor de mRNA-lading kan worden vrijgegeven.

Eén mRNA is ongeveer 100 nanometer groot. Ter vergelijking: een vel papier is ongeveer 100.000 nanometer dik.

“De in dit onderzoek ontwikkelde LNP’s maken gebruik van een nieuwe zuurafbreekbare linker die ervoor zorgt dat de LNP’s snel in de cellen worden afgebroken. De nieuwe linker maakt het ook mogelijk dat LNP’s zo worden ontworpen dat ze een lagere toxiciteit hebben”, zegt Niren Murthy, hoogleraar bio-engineering aan de Universiteit van Californië. in Berkeley en mede-onderzoeker van dit project.

“Wanneer de cellen de LNP’s opnemen, worden de deeltjes afgebroken in de zure omgeving van het endosoom van de cel. Dit veroorzaakt een efficiëntere en vroege afgifte van mRNA aan het cytosol, de vloeibare component in de cel waar het mRNA in eiwitten zal worden vertaald. Dat is waar we willen dat het mRNA effectief en functioneel is”, legt Wang uit.

Efficiëntie is nauw verbonden met toxiciteit. Om deze reden is het belangrijk om te weten hoeveel LNP-dragers een cel moet opnemen om voldoende eiwitten te maken. Als de opname-efficiëntie laag is, zullen wetenschappers veel nanodeeltjes moeten gebruiken. Dit betekent meerdere doses of hoge doses die een toxische immuunreactie kunnen veroorzaken.

“De grootste hindernis voor het afleveren van mRNA aan het centrale zenuwstelsel tot nu toe is toxiciteit die tot ontstekingen leidt,” zei Wang.

De studie toonde aan dat de LNP-methode efficiënter is bij de mRNA-translatie, waardoor de behoefte aan potentieel toxische doses afneemt.

Het verzenden van de handleiding om het CAS9-enzym te bouwen voor genbewerking

De nieuwe studie beschrijft het gebruik van de LNP-technologie voor Cas9-mRNA-afgifte om genetische ziekten van het centrale zenuwstelsel in de baarmoeder te behandelen. De onderzoekers testten hun hulpmiddel op het gen dat verantwoordelijk is voor het Angelman-syndroom, een zeldzame neurologische aandoening.

Bij een genetische aandoening stapelt de schade zich op tijdens de zwangerschap en kort na de geboorte. Onderzoek toont aan dat het efficiënter is om therapieën aan de hersencellen toe te dienen voordat de bloed-hersenbarrière bij baby’s volledig is gevormd. Dus hoe eerder de correctie plaatsvindt, hoe beter. Het idee was om de progressie van de ziekte in de baarmoeder te stoppen.

De onderzoekers injecteerden de LNP met het mRNA in de ventrikels van de foetale hersenen in een muismodel. Het mRNA vertaalt zich in CAS9, een eiwit dat werkt als een schaar voor het bewerken van genen. Het geproduceerde CAS9 zal het gen bewerken dat verantwoordelijk is voor het Angelman-syndroom.

“Het mRNA lijkt op de Lego-handleiding die instructies bevat om de stukjes samen te voegen om functionele eiwitten te vormen. De cel zelf heeft alle stukjes om CAS9 te bouwen. We hoeven alleen maar de mRNA-sequentie aan te leveren, en de cel zal deze nemen en vertalen in eiwitten,” legde Wang uit.

Bevindingen

De studie toonde aan dat de LNP-tool zeer efficiënt was in het afleveren van het mRNA dat zich vertaalde in CAS 9.

Met behulp van tracers konden de onderzoekers alle neuronen zien die in de hersenen waren bewerkt. Uit hun onderzoek bleek dat de nanodeeltjes werden opgenomen door de zich ontwikkelende neurale stam- en voorlopercellen van de hersenen. De nanodeeltjes leidden tot genbewerkingen in 30% van de hersenstamcellen in het muismodel.

“Het transfecteren van 30% van de hele hersenen, vooral de stamcellen, is een groot probleem. Deze cellen migreren en verspreiden zich naar vele plaatsen in de hersenen naarmate de foetus zich verder ontwikkelt”, aldus Wang.

In het onderzoek prolifereerden de stamcellen naarmate de ontwikkeling van de foetus voortduurde en migreerden ze om het centrale zenuwstelsel te vormen. Uit het onderzoek bleek dat meer dan 60% van de neuronen in de hippocampus en 40% van de neuronen in de cortex getransfecteerd waren.

“Dit is een veelbelovende methode voor genetische aandoeningen die het centrale zenuwstelsel aantasten. Wanneer de baby’s geboren worden, kunnen veel van de neuronen [already] gecorrigeerd. Dit betekent dat de baby zonder symptomen geboren kan worden”, legt Wang uit.

Wang verwacht een nog hoger percentage getransfecteerde cellen te zien in een ziek muismodel.

“Slechte neuronen met mutatie kunnen worden gedood door de accumulatie van ziektesymptomen en goede neuronen kunnen blijven en zich vermenigvuldigen. Dit zou kunnen leiden tot een grotere therapeutische efficiëntie. Als we goed genoeg weten hoe cellen werken, kunnen we deze kennis gebruiken om samen te werken met de natuurlijk voorkomende neuronen. routes in de cel”, zei hij.