Инженер, который доставляет мРНК внутрь человеческих клеток
Мессенджерная РНК (мРНК) стала широко известна как основа первых вакцин от COVID-19, особенно после присуждения Нобелевской премии двум пионерам мРНК-технологий из Университета Пенсильвании.
Однако хрупкие молекулы мРНК были бы бесполезны для вакцин и других новых методов лечения без возможности доставки внутрь организма.
Этим занимается Майкл Дж. Митчелл.
Доцент кафедры биоинженерии в Пенсильванском университете, Митчелл — эксперт по липидным наночастицам (LNP), крошечным жировым каплям, которые используются для доставки мРНК внутрь человеческих клеток.
Вакцины использовали LNP для доставки мРНК в иммунные клетки в руке. Это лишь начало потенциального применения в медицине. Митчелл сейчас изменяет химию этих липидов, чтобы доставлять передовые методы лечения рака и других заболеваний в труднодоступные органы, такие как легкие и мозг.
Как возникла идея липидных наночастиц?
Идея использования липидов для инкапсуляции различных препаратов существует несколько десятилетий. В контексте доставки мРНК ключевым открытием начала 2000-х стало создание ионизируемой липидной наночастицы [меняющей свой электрический заряд для высвобождения лекарственного груза].
Частично они так хорошо проникают в клетки, потому что клеточные мембраны состоят из липидов. LNP имеют сродство к слиянию с этими мембранами.
Попав внутрь клетки, они захватываются клеточными везикулами — эндосомами. pH внутри эндосом более кислый. Когда LNP приобретает положительный заряд в этой кислой среде, эти липиды взаимодействуют с отрицательно заряженными липидами внутри и разрушают мембрану, высвобождая груз мРНК в клетку.
Как создают липидные наночастицы?
Лаборатория использует технику микрофлюидики для создания LNP.
Это Y-образное устройство на чипе. По одной стороне течет смесь четырех липидов, растворенных в этаноле. По другой — РНК в кислом цитратном буфере. При столкновении жидкостей происходит процесс хаотического смешивания.
Благодаря ионизируемой природе липидов, при контакте с кислым буфером они приобретают заряд. Этот механизм связывает РНК с липидами.
Этот процесс называется самосборкой. Это почти как формирование луковицы.
Исследование по повышению эффективности LNP
Считается, что только 2–5% всех LNP выходят из эндосом в клетку для трансляции терапевтической мРНК.
Мы создали новую LNP, имитирующую космический челнок с отбрасываемыми ускорителями. У этих наночастиц есть липиды, которые могут деградировать и отваливаться со временем.
Мы полагаем, что по мере деградации этих "хвостов" они помогают разрушать эндосомы и эффективнее высвобождать РНК в клетку.
Для теста мы кормили мышей пищей с высоким содержанием жира, затем вводили им эту мощную LNP, способную индуцировать секрецию препарата для снижения веса. Они значительно теряли вес и возвращались к нормальным показателям.
Нацеливание на другие части тела
Технология РНК сейчас довольно зрелая. Сейчас проблема — в доставке.
Как доставить РНК в другие части тела? Как попасть в мозг? Как доставить в легкие для лечения муковисцидоза и рака легких?
Исследование по доставке мРНК в легкие мышей
Нам нужна была частица с положительным зарядом, чтобы она направлялась в легкие, но при этом способная к деградации для безопасности.
Мы создали библиотеку вариаций с разными липидами, чтобы найти баланс между эффективной доставкой в легкие и низкой токсичностью.
Мы пометили разные виды LNP штрих-кодом из ДНК, чтобы идентифицировать их с помощью технологии секвенирования нового поколения. Мы можем подсчитать количество LNP, доставленных в конкретные части тела, используя эти штрих-коды.
Так мы можем определить лучшую частицу из пула и быстрее итеративно улучшать технологию.
Был ли явный победитель?
Мы начали с 180 LNP. Сначала их тестируют на клетках.
96 показали перспективу, и в итоге мы определили четыре многообещающие формулы. Для нацеливания на легкие лучшей оказалась частица под названием CAD9 (cationic degradable lipid).
Не было никакой доставки LNP в печень. мРНК доставлялась только в легкие, что удивительно.
Особенно для применения в онкологии, где не нужно, чтобы терапевтические средства попадали в здоровые органы без опухоли. Эта частица строго нацелена на легкие.
Как насчет попадания в мозг?
Мозг — очень сложная цель из-за необходимости преодоления гемато-энцефалического барьера.
Мой постдок смог создать модель этого барьера на чипе. Мы разработали тип LNP, способный пересекать этот барьер на чипе.
Мы еще не на терапевтической стадии. Это лишь фундаментальное химическое доказательство концепции. Но мы считаем, что это очень интересная основа для дальнейшей работы.