Een kleine moleculaire injectiespuit met een bizarre oorsprong zou een van de neteligste problemen in de geneeskunde kunnen verhelpen: medicijnen op hun doelbestemming in het lichaam krijgen. De bron? Bacteriën die in de darmen van insecten leven.

Het geesteskind van Dr. Feng Zhang van het Howard Hughes Medical Institute en Broad Institute, de veerbelaste nanomachine lijkt een beetje op een raket. Eenmaal aangemeerd, schiet een injector naar beneden om de cellen binnen te dringen en waardevolle ladingen af ​​te leveren.

Wanneer ze verder worden ontwikkeld, kunnen de moleculaire injectoren kankerimmunotherapieën alleen naar tumorcellen sturen, gezonde cellen sparen en bijwerkingen beperken. Het systeem kan ook veilig in de hersenen tunnelen - een orgaan dat notoir moeilijk toegankelijk is voor medicijnen - en mogelijk eiwitten binnenkrijgen die kunnen helpen bij het diagnosticeren van beroertes, de ziekte van Alzheimer en andere neurologische aandoeningen.

Gepubliceerd in NATUUR, de injector is geïnspireerd door het bacterierijk. Zhang is geen onbekende in het verkennen van de donkere materie van het bioversum. Vooral bekend om zijn baanbrekende werk over CRISPR-Cas9-genbewerking, dat is ontstaan ​​als een bacterieel afweersysteem tegen virussen, heeft Zhang lange tijd hints uit de evolutie gebruikt om biotechnologische wonderen van de volgende generatie te maken.

Deze keer bracht zijn team echter een andere medewerker in de mix: AlphaFold.

De AI, ontwikkeld door DeepMind, haalde de krantenkoppen vanwege zijn griezelige vermogen om eiwitstructuren voorspellen. Door de tool in gebruik te nemen, optimaliseerde het team een ​​kernonderdeel van de bacteriële injector, waardoor het overschakelde van hun favoriete doelwit - insectencellen - naar een verscheidenheid aan muizen en menselijke cellen.

Verschillende proof-of-concept-onderzoeken in zowel gekweekte cellen als muizen toonden de bekwaamheid van de nieuwe injectiespuit. Eén experiment leverde een toxine aan kankercellen zonder anderen te schaden. Een ander injecteerde Cas9 - het eiwit "schaar" in de tool voor het bewerken van genen CRISPR - in gekweekte menselijke cellen en bewerkte de doelgenen met hoge efficiëntie.

Deze mogelijkheid tot plug-and-play maakt het systeem tot een leveringskrachtpatser. "We laten zien dat we door een label op het eiwit te plaatsen, verschillende soorten eiwitten in deze naalden kunnen laden," zei Zhang.

"Het vermogen hebben om bepaalde eiwitten in specifieke celtypen af ​​te leveren, zou een enorm potentieel bieden voor onderzoek in de levenswetenschappen, maar ook voor de behandeling van ziekten," zei Charles Ericson en Dr. Martin Pilhofer van ETH Zürich, die niet bij het werk betrokken waren.

Het systeem legt, in combinatie met andere, de basis voor een krachtige mix-en-match toolbox voor zowel onderzoek als geneeskunde. Hoewel het momenteel alleen in staat is om eiwitten te pendelen, zou het coöpteren van andere natuurlijke moleculaire injectiespuiten het systeem kunnen uitbreiden naar DNA en andere biomoleculen.

"Het is nog vroeg voor dit als een technologie," zei Zhang.

Levering nachtmerries

Stel je de medicijnafgifte voor als DoorDash. U wilt dat uw bestelling alleen bij u komt, niet bij uw buren, en met het eten intact.

Het klinkt triviaal, maar het is een taak die moeilijk te bereiken is met medicijnen en gentherapie. Medicijnen in de vorm van pillen, pleisters of intraveneuze naalden - denk aan zakjes zoutoplossing of chemokuren - komen in de bloedbaan terecht. Het resultaat is dat ze verschillende organen en weefsels overspoelen en vaak bijwerkingen veroorzaken.

In schril contrast daarmee is een ander probleem dat sommige medicijnen niet in hun doelwitten kunnen doordringen. Cellen zijn forten omgeven door een dubbellaags vetmembraan, met mechanismen die soms actief ongewenste indringers uitspugen. Wanneer die indringers gentherapie-elementen of therapeutische eiwitten zijn, wordt het afweersysteem van de cellen een enorme hoofdpijn.

Wetenschappers hebben manieren bedacht om deze afweer te omzeilen. De ene gebruikt onschadelijke virussen om vaccinmaterialen binnen te smokkelen. Een andere zijn lipide nanosferen, die zijn gemaakt van kleine vetbelletjes. Eenmaal samengevoegd met de cel, "barsten" de bubbels en wordt de lading vrijgegeven. Hoewel deze systemen fundamenteel zijn voor genetische manipulatie, zijn ze niet zo nauwkeurig als we zouden willen. Terugkomend op de DoorDash-analogie, zal de dasher je een deel van je bestelling geven, terwijl hij de rest naar je nietsvermoedende en onwillige buren brengt.

Bacteriële inspiratie

In de nieuwe studie gooide Zhang het draaiboek weg en ging volledig buiten de gebaande paden. Hij en zijn collega Joseph Kreitz maakten gebruik van een moleculaire injectiespuit die door evolutie was gemaakt.

De onverwachte hulpbron wordt een bioluminescente bacterie genoemd Fotorhabdus asymbiotica, die leeft in de ingewanden van insecten. Ze komen zwaar bewapend: elk is uitgerust met kleine moleculaire injectiespuiten - ongeveer 100 nanometer lang - met "voeten" die gastheercellen vastgrijpen. Eenmaal gedokt, dringt een plunjer door het celmembraan en schiet een toxine naar binnen dat de gastheer doodt - en op zijn beurt laat de bacterie ontsnappen en andere cellen koloniseren.

Het gevaarlijk klinkende mechanisme - een contractiel injectiesysteem of CIS genoemd - lijkt nauwelijks geschikt voor een veilig toedieningssysteem. Maar één eigenaardigheid viel het team op: bacterie-injectoren werken meestal alleen met andere bacteriën, niet met dierlijke cellen. Dus waarom zou u de Fotorhabdus spuit om ook menselijke cellen in te spuiten?

Het team richtte zich eerst op een deel van de injector dat staartvezels wordt genoemd. Deze "tentakelachtige dingen" helpen de nanomachine om zich aan cellen te hechten, legt Zhang uit. De sleutel is het matchen van de receptoren, of dockingstations, op het oppervlak van cellen. Elk celtype heeft een groot aantal dokken die uniek zijn voor hun biologische karakter - een neuron heeft er bijvoorbeeld verschillende die enorm verschillen van die van hartcellen. Die van verschillende levende wezens lopen zelfs nog meer uiteen.

Het is dus geen verrassing dat de injectiespuiten, ontworpen om te werken in insectencellen, faalden in menselijke cellen. Wetende dat staartvezels de crux zijn, bracht het team een ​​nieuwe medewerker binnen: AlphaFold. Met behulp van de AI genereerde het team een ​​3D-model van het lastige eiwit dat wordt aangetroffen in een gebied dat de injector naar insectencellen leidt.

Vervolgens hebben ze dit gebied genetisch gemodificeerd, waarbij ze het uiteinde van de staartvezel afhakten en verschillende eiwitbrokken toevoegden om de injector naar specifieke muizen- en menselijke cellen te leiden.

"[AlphaFold] gaf ons de informatie die we nodig hadden om een ​​nieuwe leveringsstrategie te maken die kan worden gewijzigd om verschillende cellen te targeten," zei Kreitz.

Mix en match

Het team testte hun programmeerbare injectoren met verschillende experimenten.

In een daarvan vulden ze de spuit met een eiwit dat, eenmaal geïnjecteerd, ervoor zorgde dat menselijke cellen in cultuur in het donker levendig groen gloeiden. Een vergelijkbare injectiespuit werd herwerkt om kankercellen op te sporen die bezaaid waren met epidermale groeifactorreceptor (EGFR) op het oppervlak. Geladen met gifstoffen doodde de behandeling bijna alle cellen met de receptor, maar spaarde anderen. Evenzo leverde het team Cas9 gemakkelijk af in een verscheidenheid aan menselijke cellen, die, wanneer ze werden voorzien van een gids-RNA, het genoom op voorspelde punten bewerkten.

Ten slotte injecteerde het team het systeem in de ultieme test in de hippocampus van muizen. Doordrenkt met een fluorescerend eiwit, gloeiden de cellen heldergroen. Belangrijk is dat, hoewel afkomstig van bacteriën, de injectoren geen immuunrespons opwekten.

Het systeem is niet perfect. Hoewel het team efficiënt is in geteste weefsels, hoopt het zijn assortiment uit te breiden naar verschillende soorten weefsels en ziektemodellen. Een ander doel is om op zoek te gaan naar andere natuurlijke injectoren en deze mogelijk uit te laten groeien tot een hele familie van leveringstools - vergelijkbaar met de groei van CRISPR. Voorlopig vervoert het systeem alleen eiwitten. Maar verdere engineering zou specifieke levering van DNA, RNA en andere biomoleculen mogelijk kunnen maken, en misschien zelfs hun dosering kunnen regelen.

"Het is nog vroeg voor deze aanpak, maar ik denk dat het erg belangrijk is om [het vermogen van het systeem] te onderzoeken om veel verschillende soorten ziekten die de menselijke gezondheid aantasten te kunnen behandelen," zei Zhang.

Image Credit: Joseph Kreitz, Broad Institute of MIT en Harvard, McGovern Institute for Brain Research aan het MIT

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/04/04/this-amazing-molecular-syringe-could-smuggle-drugs-and-gene-therapies-into-human-cells/