Credit: CC0 Public Domain
Een van de meest opmerkelijke recente vorderingen in biomedisch onderzoek is de ontwikkeling van zeer gerichte methoden voor het bewerken van genen, zoals CRISPR, die met grote precisie een gen in een cel kunnen toevoegen, verwijderen of veranderen. De methode wordt al getest of gebruikt voor de behandeling van patiënten met sikkelcelanemie en kankers zoals multipel myeloom en liposarcoom, en vandaag ontvingen de makers Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna de Nobelprijs voor scheikunde.
Terwijl genbewerking opmerkelijk nauwkeurig is in het vinden en veranderen van genen, is er nog steeds geen manier om de behandeling op specifieke locaties in het lichaam te richten. De tot dusver geteste behandelingen omvatten verwijdering bloedstamcellen of immuunsysteem T-cellen uit het lichaam om ze te modificeren, en ze vervolgens weer in een patiënt te infunderen om de bloedbaan opnieuw te bevolken of een immuunrespons te herstellen - een duur en tijdrovend proces.
Voortbouwend op de prestaties van Charpentier en Doudna, hebben Tufts-onderzoekers voor het eerst een manier bedacht om pakketten voor het bewerken van genen op een efficiënte manier af te leveren. bloedhersenbarrière en in specifieke gebieden van de hersenen, in cellen van het immuunsysteem, of in specifieke weefsels en organen in muismodellen. Deze toepassingen zouden een geheel nieuwe strategie kunnen openen bij de behandeling van neurologische aandoeningen, evenals kanker, infectieziekten en auto-immuunziekten.
Een team van biomedische ingenieurs van Tufts, onder leiding van universitair hoofddocent Qiaobing Xu, zocht een manier om de "genbewerkingskit" zo te verpakken dat het geïnjecteerd kon worden om zijn werk in het lichaam te doen op gerichte cellen, in plaats van in een laboratorium.
Zij gebruikten lipide nanodeeltjes (LNP's) - piepkleine 'belletjes' van lipidemoleculen die de bewerkingsenzymen kunnen omhullen en naar specifieke cellen, weefsels of organen kunnen voeren. Lipiden zijn moleculen met een lange koolstofstaart, waardoor ze een "olieachtige" consistentie krijgen, en een hydrofiele kop, die wordt aangetrokken door een waterige omgeving.
Er is ook typisch een stikstof-, zwavel- of zuurstofverbinding tussen de kop en de staart. De lipiden rangschikken zichzelf rond de bubbelnanodeeltjes met de koppen naar buiten en de staarten naar binnen gericht naar het midden.
Het team van Xu was in staat om het oppervlak van deze LNP's aan te passen, zodat ze uiteindelijk aan bepaalde celtypen kunnen "blijven plakken", kunnen samensmelten met hun membranen en de gen-bewerkingsenzymen in de cellen kunnen afgeven om hun werk te doen.
Het maken van een gerichte LNP vereist enige chemische bewerking.
Door een mix van verschillende koppen, staarten en linkers te creëren, kunnen de onderzoekers - eerst in het laboratorium - een breed scala aan kandidaten screenen op hun vermogen om LNP's te vormen die zich richten op specifieke cellen. De beste kandidaten kunnen vervolgens worden getest in muismodellen en chemisch verder worden gemodificeerd om de targeting en levering van de gen-bewerkingsenzymen aan dezelfde cellen in de muis te optimaliseren.
"We hebben een methode ontwikkeld om het leveringspakket af te stemmen op een breed scala aan potentiële therapieën, waaronder genbewerking", zei Xu. "De methoden zijn gebaseerd op combinatorische chemie die door de farmaceutische industrie wordt gebruikt om de medicijnen zelf te ontwerpen, maar in plaats daarvan passen we de benadering toe bij het ontwerpen van de componenten van het afleveringsvoertuig."
In een ingenieus stukje chemische modellering gebruikten Xu en zijn team een neurotransmitter aan het hoofd van sommige lipiden om de deeltjes te helpen de bloed-hersenbarrière te passeren, die anders ondoordringbaar zou zijn voor moleculen zo groot als een LNP.
Het vermogen om medicijnen veilig en efficiënt over de barrière en in de hersenen te brengen, is al lang een uitdaging in de geneeskunde. In een primeur leverde het laboratorium van Xu een heel complex van boodschapper-RNA's en enzymen die de CRISPR-kit vormen, af in doelgebieden van de hersenen van een levend dier.
Enkele kleine aanpassingen aan de lipidenlinkers en -staarten hielpen bij het creëren van LNP's die het antischimmelmedicijn amfotericine B (voor de behandeling van meningitis) in de hersenen konden afgeven en een DNA-fragment dat zich bindt aan het gen dat het tau-eiwit produceert dat is gekoppeld aan de ziekte van Alzheimer en het uitschakelt. ziekte.
Meer recentelijk hebben Xu en zijn team LNP's gemaakt om genbewerkingspakketten in T-cellen in muizen te leveren. T-cellen kunnen helpen bij de productie van antilichamen, geïnfecteerde cellen vernietigen voordat virussen zich kunnen vermenigvuldigen en verspreiden, en andere cellen van het immuunsysteem reguleren en onderdrukken.
De LNP's die ze hebben gemaakt, versmelten met T-cellen in de milt of lever - waar ze zich doorgaans bevinden - om de inhoud van het bewerken van genen af te leveren, die vervolgens de moleculaire samenstelling en het gedrag van de T-cel kan veranderen. Het is een eerste stap in het proces om niet alleen het immuunsysteem te trainen, zoals je zou kunnen doen met een vaccin, maar het daadwerkelijk te ontwikkelen om ziekten beter te bestrijden.
Xu's benadering van het bewerken van T-celgenomen is veel gerichter, efficiënter en waarschijnlijk veiliger dan methoden die tot nu toe zijn geprobeerd met virussen om hun genoom te wijzigen.
"Door ons te richten op T-cellen, kunnen we een tak van het immuunsysteem aanboren die een enorme veelzijdigheid heeft in het bestrijden van infecties, bescherming tegen kanker en het moduleren van ontstekingen en auto-immuniteit", zei Xu.
Xu en zijn team verkenden verder het mechanisme waarmee LNP's hun weg naar hun doelen in het lichaam zouden kunnen vinden. In experimenten gericht op cellen in de longen ontdekten ze dat de nanodeeltjes na injectie specifieke eiwitten in de bloedbaan oppikten.
De eiwitten, die nu in het oppervlak van de LNP's zijn opgenomen, werden de belangrijkste component die de LNP's hielpen om zich aan hun doelwit te houden. Deze informatie kan het ontwerp van toekomstige afleveringsdeeltjes helpen verbeteren.
Hoewel deze resultaten zijn aangetoond bij muizen, waarschuwde Xu dat er meer studies en klinische onderzoeken nodig zullen zijn om de werkzaamheid en veiligheid van de toedieningsmethode bij mensen te bepalen.
Verken verderNieuwe deeltjes voor medicijnafgifte gebruiken neurotransmitters als een 'paspoort' in de hersenen
Meer informatie: Xuewei Zhao et al. Op imidazol gebaseerde synthetische lipidoïden voor in vivo mRNA-afgifte in primaire T-lymfocyten, Angewandte Chemie International Edition (2020). DOI: 10.1002 / anie.202008082Informatie Journal:Angewandte Chemie International EditionGeleverd door Tufts University
