Μια απλή «τριάδα» αμινοξέων ενισχύει 20 φορές τη θεραπεία mRNA

Ωστόσο, η πρόοδος έχει επιβραδυνθεί από μια επίμονη πρόκληση. Για να λειτουργήσουν τα λιπιδικά νανοσωματίδια (LNPs) μέσα στο σώμα, πρέπει να συγχωνευτούν με τις κυτταρικές μεμβράνες και να απελευθερώσουν το φορτίο τους. Ενώ αυτή η διαδικασία λειτουργεί αποτελεσματικά σε εργαστηριακά πειράματα, είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική σε πραγματικές βιολογικές συνθήκες.

Επιστήμονες Ανακαλύπτουν μια Απλή Λύση Αμινοξέων

Μια ερευνητική ομάδα στο Biohub έχει εντοπίσει έναν απροσδόκητα απλό τρόπο για τη βελτίωση αυτής της διαδικασίας. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Science Translational Medicine, ερευνητές με επικεφαλής τους Daniel Zongjie Wang, PhD, και Shana O. Kelley, Ph.D., έδειξαν ότι η προσθήκη τριών κοινών αμινοξέων – μεθειονίνης, αργινίνης και σερίνης – μαζί με τα LNPs μπορεί να ενισχύσει δραματικά την απόδοση. Αυτός ο συνδυασμός αύξηξε την παροχή mRNA έως και 20 φορές και αύξησε την αποτελεσματικότητα της γονιδιακής διόρθωσης CRISPR από περίπου 25 τοις εκατό σε σχεδόν 90 τοις εκατό μετά από μία μόνο δόση.

«Η γονιδιακή διόρθωση και οι θεραπείες που βασίζονται σε mRNA θα διαδραματίσουν αυξανόμενους ρόλους στην ιατρική του μέλλοντος, αλλά απαιτούν τα LNPs να φτάνουν και να εισέρχονται στα κύτταρα», δήλωσε η Kelley, πρόεδρος βιομηχανικής στο Biohub και επικεφαλής του Biohub, Σικάγο, όπου οι επιστήμονες αποκωδικοποιούν τις φλεγμονώδεις διεργασίες που οδηγούν ένα ευρύ φάσμα ασθενειών. «Οποιαδήποτε σύνθεση LNP αναπτύσσεται σήμερα θα μπορούσε δυνητικά να επωφεληθεί από την προσέγγισή μας».

Η ανακάλυψη προκύπτει από την ευρύτερη στρατηγική της ομάδας να μελετά τη βιολογία υπό συνθήκες που αντικατοπτρίζουν καλύτερα το ανθρώπινο σώμα. «Αυτό ακριβώς μας οδήγησε εδώ», είπε ο Wang, ο οποίος ηγείται της Ομάδας Spatiotemporal Omics του Biohub. «Ρωτώντας γιατί τα LNPs συμπεριφέρονται τόσο διαφορετικά στο φυσιολογικό περιβάλλον του σώματος, βρήκαμε μια εκπληκτικά απλή απάντηση που θα μπορούσε να κάνει ένα ευρύ φάσμα θεραπειών mRNA και γονιδιακής διόρθωσης σημαντικά πιο αποτελεσματικές».

Ένας Μεταβολικός Φραγμός Μέσα στα Κύτταρα

Μέχρι στιγμής, οι περισσότερες προσπάθειες για τη βελτίωση της απόδοσης των LNPs έχουν επικεντρωθεί στην επανασχεδίαση των ίδιων των νανοσωματιδίων. Οι επιστήμονες έχουν δοκιμάσει εκατοντάδες νέους συνδυασμούς λιπιδίων και έχουν χρησιμοποιήσει τεχνητή νοημοσύνη για να εξερευνήσουν αμέτρητες συνθέσεις. Παρά αυτές τις προσπάθειες, τα κλινικά αποτελέσματα παρέμειναν απογοητευτικά.

Οι ερευνητές του Biohub ακολούθησαν μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να τροποποιήσουν το σύστημα παράδοσης, διερεύνησαν εάν τα ίδια τα κύτταρα περιόριζαν την πρόσληψη. Ερεύνησαν εάν θα ήταν δυνατόν να ενθαρρυνθούν τα κύτταρα να απορροφούν τα LNPs ευκολότερα.

«Ο τομέας έχει αφιερώσει τεράστια προσπάθεια στη μηχανική των νανοσωματιδίων», δήλωσε ο Wang. «Βρήκαμε, ωστόσο, ότι η μεταβολική κατάσταση του ίδιου του κυττάρου είναι ένα εξίσου σημαντικό – και αντιμετωπίσιμο – μέρος της εξίσωσης».

Το έργο τους αποκάλυψε ότι ο μεταβολισμός παίζει βασικό ρόλο. Τα τυπικά καλλιεργούμενα κύτταρα εκτίθενται σε συνθήκες πλούσιες σε θρεπτικά συστατικά που διαφέρουν σημαντικά από αυτές μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Όταν η ομάδα καλλιέργησε κύτταρα σε μέσο που μοιάζει περισσότερο με ανθρώπινο πλάσμα, η πρόσληψη LNP μειώθηκε απότομα κατά 50 έως 80 τοις εκατό.

Περαιτέρω ανάλυση έδειξε ότι αρκετές μεταβολικές οδοί που σχετίζονται με αμινοξέα ήταν λιγότερο ενεργές υπό αυτές τις πιο ρεαλιστικές συνθήκες. Αυτό υποδηλώνει ότι τα κύτταρα στο σώμα λειτουργούν με λιγότερα διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά, γεγονός που περιορίζει την ικανότητά τους να απορροφούν νανοσωματίδια.

Μια Απλή Διόρθωση με Ισχυρά Αποτελέσματα

Για να αντιμετωπίσουν αυτόν τον περιορισμό, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα στοχευμένο συμπλήρωμα που περιέχει μεθειονίνη, αργινίνη και σερίνη. Όταν αυτό το μείγμα δόθηκε μαζί με τα LNPs, τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά. Η παραγωγή πρωτεϊνών από το παρεχόμενο mRNA αυξήθηκε μεταξύ 5- και 20-fold σε πολλαπλούς τύπους κυττάρων, τόσο σε εργαστηριακά πειράματα όσο και σε ζωντανά ζώα.

Η βελτίωση διατηρήθηκε σε διαφορετικές μεθόδους χορήγησης – ενδομυϊκή, ενδοτραχειακή και ενδοφλέβια – και λειτούργησε ανεξάρτητα από τον συγκεκριμένο σχεδιασμό του νανοσωματιδίου ή το γενετικό υλικό που παραδόθηκε. Πρόσθετες μελέτες έδειξαν ότι τα αμινοξέα ενισχύουν μια κυτταρική οδό που επιτρέπει στα νανοσωματίδια να εισέρχονται στα κύτταρα πιο αποτελεσματικά.

Δραματικές Βελτιώσεις σε Μελέτες Ζώων

Η ομάδα δοκίμασε την προσέγγιση σε μοντέλα ασθενειών χρησιμοποιώντας τόσο θεραπείες mRNA όσο και γονιδιακή διόρθωση CRISPR.

Σε ένα μοντέλο ποντικών με οξεία ηπατική ανεπάρκεια που προκαλείται από ακεταμινοφαίνη – η κύρια αιτία φαρμακευτικής ηπατικής ανεπάρκειας σε ανθρώπους ασθενείς – τα ποντίκια που θεραπεύτηκαν μόνο με mRNA αυξητικής ορμόνης που παρέχεται από LNPs είχαν ποσοστό επιβίωσης μόλις 33 τοις εκατό. Όταν η ίδια θεραπεία συνδυάστηκε με το συμπλήρωμα αμινοξέων, η επιβίωση αυξήθηκε στο 100 τοις εκατό. Τα επίπεδα της θεραπευτικής πρωτεΐνης αυξήθηκαν σχεδόν εννέα φορές, ενώ οι δείκτες ηπατικής βλάβης και φλεγμονής μειώθηκαν σε σχεδόν φυσιολογικά επίπεδα.

Σε ένα άλλο πείραμα, οι ερευνητές παρέδωσαν συστατικά CRISPR-Cas9 στους πνεύμονες ποντικών. Χωρίς το συμπλήρωμα, η αποτελεσματικότητα της γονιδιακής διόρθωσης κυμαινόταν από 20 έως 30 τοις εκατό. Με το μείγμα αμινοξέων, η αποτελεσματικότητα αυξήθηκε μεταξύ 85 και 90 τοις εκατό μετά από μία μόνο δόση. Αυτό το επίπεδο βελτίωσης θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντικό για καταστάσεις όπως η κυστική ίνωση, όπου η αποτελεσματική διόρθωση γονιδίων στον πνευμονικό ιστό είναι απαραίτητη.

Ένας Πρακτικός Δρόμος προς την Κλινική Χρήση

Μία από τις πιο ελπιδοφόρες πτυχές αυτής της ανακάλυψης είναι πόσο εύκολο μπορεί να είναι να εφαρμοστεί σε πραγματικές θεραπείες. Το συμπλήρωμα χρησιμοποιεί αμινοξέα που παράγονται ήδη σε μεγάλη κλίμακα και θεωρούνται ασφαλή. Σε αντίθεση με άλλες στρατηγικές που απαιτούν τροποποίηση των νανοσωματιδίων ή γενετική τροποποίηση κυττάρων, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε απλά να προστεθεί στις υπάρχουσες συνθέσεις.

Εστιάζοντας στη βιολογία του κυττάρου αντί στην επανασχεδίαση του συστήματος παράδοσης, οι ερευνητές μπορεί να έχουν βρει έναν πρακτικό τρόπο να ξεκλειδώσουν τις πλήρεις δυνατότητες των τεχνολογιών mRNA και γονιδιακής διόρθωσης.