Nanocząsteczki siloksanu umożliwiają precyzyjne celowanie w narządy w terapii mRNA

Chociaż w ramach wcześniejszych badań – w tym w Penn Engineering – dokonano przeglądu „bibliotek” LNP w celu znalezienia konkretnych wariantów ukierunkowanych na narządy takie jak płuca, podejście to przypomina metodę prób i błędów. „Nigdy nie zrozumieliśmy, w jaki sposób struktura jednego z kluczowych składników LNP, jonizowalnego lipidu, determinuje ostateczne przeznaczenie LNP do narządów poza wątrobą” – mówi Michael J. Mitchell, profesor nadzwyczajny w dziedzinie bioinżynierii.

W nowym artykule opublikowanym w Nanotechnologia naturygrupa Mitchella opisuje, jak subtelne dostosowania w strukturze chemicznej ulegającego jonizacji lipidu, kluczowego składnika LNP, umożliwiają dostarczanie specyficzne dla tkanki, w szczególności do wątroby, płuc i śledziony.

Kluczowym odkryciem badaczy było włączenie kompozytów siloksanowych, klasy związków na bazie krzemu i tlenu, stosowanych już w wyrobach medycznych, kosmetykach i dostarczaniu leków, do ulegających jonizacji lipidów, od których wzięła się nazwa LNP.

Podobnie jak krzemowe artykuły gospodarstwa domowego, które są znane z trwałości i łatwości w czyszczeniu, wcześniejsze badania wykazały, że kompozyty siloksanowe mają wysoką stabilność i niską toksyczność. „Chcieliśmy sprawdzić, czy te cechy można wykorzystać do zaprojektowania wysoce stabilnych i minimalnie toksycznych LNP do dostarczania mRNA” – relacjonują naukowcy w artykule.

Dokładnie testując setki wariantów nowo ochrzczonych nanocząstek lipidowych zawierających siloksan (SiLNP), badacze ustalili, które cechy chemiczne mają wpływ na dostarczanie mRNA. „Identyfikacja ich żywy poród był ogromnym wyzwaniem” – mówi Lulu Xue, stażysta ze stopniem doktora w Mitchell Lab i jeden z pierwszych autorów artykułu.

Początkowo badacze wykorzystali warianty SiLNP do dostarczenia mRNA kodującego lucyferazę świetlika – genu powodującego świecenie świetlików – do nowotworowych komórek wątroby w modelu zwierzęcym, co miało służyć jako wskaźnik zastępczy stosowania SiLNP w leczeniu raka wątroby. Gdziekolwiek komórki zaczęły świecić, badacze mogli być pewni, że SiLNP przeniosły swój ładunek mRNA do komórek.

Kiedy świecące komórki pojawiły się także w płucach modeli zwierzęcych, badacze zdali sobie sprawę, że pewne warianty SiLNP kierują cząsteczki poza wątrobę – co jest świętym Graalem badań nad LNP, ponieważ LNP mają tendencję do gromadzenia się w wątrobie ze względu na zawiłą sieć tego narządu naczyń krwionośnych.

Wśród zmian zidentyfikowanych przez grupę i korygujących trajektorię SiLNP znalazły się korekty tak drobne, jak zastąpienie jednej grupy chemicznej inną – w tym przypadku amidu zamiast estru – co doprowadziło do 90% wskaźnika powodzenia w dostarczaniu mRNA do płuc tkanki w modelu zwierzęcym.

„Właśnie zmieniliśmy strukturę lipidów” – mówi Xue, „ale ta niewielka zmiana w chemii lipidów znacznie zwiększyła dostarczanie ich poza wątrobę”.

Grupa ustaliła również, że na ogólną skuteczność SiLNP wpływa wiele różnych czynników chemicznych, w tym liczba grup krzemowych w lipidach, długość ogonów lipidowych i struktura samych lipidów.

Ponadto SiLNP wykazywały wyraźne powinowactwo do komórek śródbłonka; ponieważ naczynia krwionośne zbudowane są z komórek śródbłonka, SiLNP mogą mieć zastosowania kliniczne w medycynie regeneracyjnej, która działa na uszkodzone naczynia krwionośne, w szczególności w płucach. Rzeczywiście naukowcy odkryli, że SiLNP dostarczające substancje promujące wzrost nowych naczyń krwionośnych radykalnie poprawiły poziom tlenu we krwi i czynność płuc w modelach zwierzęcych cierpiących na infekcję wirusową, która uszkodziła naczynia krwionośne płuc.

Naukowcy wysunęli teorię, że jednym z powodów skuteczności SiLNP może być fakt, że atomy krzemu są większe niż atomy węgla. Ponieważ atomy są mniej ciasno upakowane, gdy SiLNP łączą się z błonami komórek docelowych, ten pierwszy prawdopodobnie zwiększa płynność tego drugiego. Ta dodatkowa elastyczność pomaga z kolei mRNA przenoszonym przez SiLNP przedostać się do komórki docelowej, dzięki czemu mRNA można łatwiej wykorzystać do produkcji białek. Gdy SiLNP przemieszczają się przez krwioobieg, białka przyczepiające się do ich powierzchni pomagają również skierować je do właściwej tkanki.

Ostatecznie SiLNP wykazały sześciokrotną poprawę dostarczania mRNA w porównaniu z obecnymi odmianami LNP o złotym standardzie, co sugeruje, że unikalne właściwości kompozytów siloksanowych mają wyraźny wpływ na potencjał kliniczny cząsteczek. „Te SiLNP są obiecujące w zakresie terapii zastępujących białka, medycyny regeneracyjnej i edycji genów w oparciu o CRISPR-Cas” – mówi Xue.

„Mamy nadzieję, że ta praca może doprowadzić do nowych zastosowań klinicznych nanocząstek lipidowych, pokazując, jak proste zmiany w ich strukturze chemicznej mogą umożliwić wysoce specyficzne dostarczanie mRNA do żądanego narządu” – dodaje Mitchell.

Badanie to przeprowadzono w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych (Penn Engineering), Szkole Medycyny Weterynaryjnej (PennVet), Perelman School of Medicine (Penn Medicine); Chiński Uniwersytet Nauk i Technologii Elektronicznej; Uniwersytet Delaware; i Temple University i otrzymał wsparcie w postaci nagrody New Innovator Award przyznanej przez dyrektora Narodowego Instytutu Zdrowia Stanów Zjednoczonych (NIH) (DP2 TR002776), nagrody Burroughs Wellcome Fund Career Award w Scientific Interface (CASI), nagrody CAREER amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (CBET-2145491 ), grant naukowy American Cancer Society Research Scholar Grant (RSG-22-122-01-ET) oraz Narodowy Instytut Zdrowia (NICHD R01 HD115877).

Dodatkowi współautorzy to Ningqiang Gong (współpierwszy autor), Xuexiang Han, Sarah J. Shepherd, Rohan Palanki, Junchao Xu, Kelsey L. Swingle, Rakan El-Mayta, Il-Chul Yoon i Jingchen Xu z Penn Engineering; Gan Zhao (współpierwszy autor), Zebin Xiao i Andrew E. Vaughan z PennVet; Vivek Chowdhary, Mohamad-Gabriel Alameh, Claude Warzecha, Lili Wang, James M. Wilson i Drew Weissman z Penn Medicine; Xinhong Xong i Jiaxi Cui z Uniwersytetu Nauki i Technologii Elektronicznej w Chinach; Darrin J. Pochan z Uniwersytetu Delaware; i Karin Wang z Temple University.