Сравнение методов показывает ценность ДНК-штрихкодирования для отбора наночастиц
Первое прямое сравнение методов скрининга in vitro и in vivo для идентификации наночастиц, способных доставлять терапевтические молекулы в клетки, показало, что тестирование в лабораторных чашках плохо предсказывает, какие наночастицы успешно проникнут в клетки живых организмов.
Исследование продемонстрировало преимущества метода in vivo ДНК-штрихкодирования. К разным липидным наночастицам присоединяют короткие фрагменты ДНК, которые затем вводят живым животным; в одном животном можно протестировать более сотни наночастиц. Методы секвенирования ДНК затем идентифицируют, какие наночастицы попали в клетки конкретных органов, что делает их кандидатами для доставки генной терапии против таких заболеваний, как болезни сердца, рак и болезнь Паркинсона.
Традиционная методика исследует, как частицы проникают в живые клетки, выращенные в лабораторных чашках. Для сравнения методов исследователи добавили меченые наночастицы к клеткам in vitro и ввели идентичные меченые наночастицы живым животным-моделям. Они обнаружили почти полное отсутствие корреляции между наночастицами, признанными перспективными в тестах in vitro, и теми, которые действительно хорошо показали себя у мышей.
«ДНК-штрихкодирование может продвинуть науку отбора наночастиц для доставки генной терапии», — сказал Джеймс Дальман, ведущий исследователь. «Эта техника позволит компаниям и академическим лабораториям гораздо эффективнее выбирать перспективные наночастицы. Это может ускорить внедрение терапий на основе наночастиц в клинику, сократив при этом объем тестирования на животных».
Исследование, поддержанное NIH, Cancer Research Institute, Cystic Fibrosis Foundation и Parkinson's Disease Foundation, опубликовано 28 февраля в журнале Nano Letters.
Проблема скрининга и решение
Разработка наночастиц-носителей замедляется сложностями тестирования миллионов возможных комбинаций. Использование уникальных цепочек ДНК длиной 58 нуклеотидов для маркировки каждой частицы позволяет пропустить скрининг на клеточных культурах и одновременно протестировать сотни различных типов наночастиц всего на нескольких животных.
«Чтобы протестировать 200 наночастиц традиционным способом, понадобилось бы 600 мышей — по три на каждый тип наночастицы, — сказал Дальман. — Используя технику ДНК-штрихкодирования, которую мы называем JORDAN, мы можем провести тестирование всего на трех животных».
Результаты сравнения
Исследование изучило проникновение наночастиц в эндотелиальные клетки и макрофаги in vitro, а также в те же типы клеток из легкого, сердца и костного мозга in vivo. Сравнивалась доставка одних и тех же 281 липидных наночастиц в лабораторных условиях и в живых организмах.
«Не было никакой предсказательной способности у тестов в лабораторных чашках по отношению к тестам на животных, — заявил Дальман. — Мы этого вообще не увидели».
Дополнительные аспекты исследования
Исследовательская группа также изучила, как доставка наночастиц меняется в зависимости от микроокружения конкретных типов тканей. Они количественно оценили, как 85 наночастиц доставили ДНК-штрихкоды к восьми клеточным популяциям в селезенке, и обнаружили, что на клетки, происходящие из миелоидных предшественников, как правило, нацеливались сходные наночастицы.
Исследователей интересует не только эффективность доставки, но и селективность накопления в конкретных органах.
Ограничения и перспективы
Одноцепочечные ДНК-штрихкоды, используемые в методике, сопоставимы по размеру с терапевтическими антисмысловыми олигонуклеотидами, microRNA и siRNA. Для более крупных генных терапевтических средств потребуются дополнительные исследования.
После идентификации перспективных наночастиц скринингом они проходят дополнительное тестирование. Методикой можно тестировать только структуры, стабильные в водной среде, и нетоксичные наночастицы, контролируя потенциальное воспаление от введенной ДНК.
«Терапия нуклеиновыми кислотами обещает многое для лечения ряда серьезных заболеваний, — сказал Дальман. — Мы надеемся, что эта методика будет широко использоваться в этой области и в конечном итоге прояснит, как эти препараты влияют на клетки и как мы можем доставить их в нужные места в организме».