Новый подход использует "замаскированные" белки для доставки противораковых препаратов в клетки

Междисциплинарная группа разработала способ "маскировки" белков, чтобы их могли захватывать липидные наночастицы, подобные крошечным пузырькам жира. Эти пузырьки достаточно малы, чтобы пронести скрытый груз в живые клетки, где белки "сбрасывают маскировку" и оказывают терапевтическое действие.

Универсальная методика может позволить перепрофилировать тысячи коммерческих белковых продуктов, включая антитела, для биологических исследований и терапевтического применения.

Исследование "Bioreversible Anionic Cloaking Enables Intracellular Protein Delivery with Ionizable Lipid Nanoparticles" опубликовано 14 мая в ACS Central Science. Ведущий автор — аспирант Азмаин Аламгир, работающий в лабораториях со-старших авторов статьи: Криса Алаби, доцента химической и биомолекулярной инженерии в Cornell Engineering, и Мэтта ДеЛизы, профессора инженерии и директора Cornell Institute of Biotechnology.

Целью проекта было объединить экспертизу группы ДеЛизы в разработке белковых терапевтических средств с фокусом лаборатории Алаби на внутриклеточной доставке биологических препаратов.

Чтобы повлиять на биологию клетки и лечить болезнь, некоторым препаратам необходимо проникнуть внутрь клетки и достичь конкретного пространства. Это похоже на починку трубы в доме: сантехнику нужно попасть в конкретную комнату.

Белковые терапевтики имеют много преимуществ — более специфичное действие, меньшую токсичность и ослабленный иммунный ответ, — но с доставкой у них проблемы. Белки большие и громоздкие, они не диффундируют в клетки так легко, как малые молекулы. Это одна из причин, почему малые молекулы — основной источник лекарств в фарминдустрии.

Группа ДеЛизы разработала множество интересных и потенциально эффективных белковых кандидатов в лекарства, но их практическая польза была ограничена отсутствием метода внутриклеточной доставки. Генная терапия была вариантом, но у нее сложная история из-за проблем с безопасностью у людей.

Лаборатория Алаби имела опыт доставки нуклеиновых кислот в клетки с помощью наночастиц, но не нашла способа сделать то же самое с "глобулярными, мягкими, податливыми белками" из-за недостаточного опыта в производстве нужного количества белков для тестов.

Исследователи решили использовать подход биоконъюгации, позволяющий загружать белки в липидные наночастицы, которые формируются вокруг нуклеиновых кислот. Ключевым преимуществом было то, что липидные наночастицы — ключевой компонент успешных вакцин против COVID-19 от Pfizer-BioNTech и Moderna.

Эти вакцины доставляли полезную нагрузку в форме матричной РНК (mRNA), которая является нуклеиновой кислотой. Исследователи решили использовать ту же концепцию доставки липидными наночастицами (даже те же материалы), но с белковой нагрузкой. Задача состояла в том, чтобы заставить белки выглядеть как нуклеиновые кислоты.

Ученые обнаружили, что этого можно достичь, "замаскировав" белки отрицательно заряженным ионом, чтобы они электростатически соединялись с положительно заряженными липидами.

Сложность заключалась в том, что условия, при которых нуклеиновые кислоты соединяются с липидами, слишком жесткие для белков. Пришлось использовать более мягкие условия и модифицированную формулу с добавлением дополнительных липидов.

Команда, включавшая аспиранта и соавтора Сувика Гхошала, успешно продемонстрировала метод маскировки с использованием сульфированных соединений, реактивных к лизину, убивая раковые клетки рибонуклеазой А и ингибируя опухолевую сигнализацию моноклональными антителами иммуноглобулина G (IgG).

Дополнительное преимущество использованной химии биоконъюгации — процесс обратим. Химическая метка, добавленная к белку, сбрасывается после попадания в цитоплазму клетки. Поскольку метод биоконъюгации нацелен на лизин — аминокислоту, в изобилии встречающуюся в природных белках, — технику можно воспроизвести практически для любого белка.