Исследователи сообщают о расшифровке иммунного распознавания наночастиц из нуклеиновых кислот

Масштабный эксперимент по изучению иммунных эффектов большой группы лабораторно созданных наночастиц из нуклеиновых кислот не выявил сильного, однородного иммунного ответа, как предполагалось ранее. Вместо этого тесты показали различные и специфичные реакции со стороны разных иммунных клеток, зависящие от формы и состава каждой частицы. Это открытие может стимулировать дальнейшее изучение терапевтического применения таких частиц.

Кроме того, исследователи полагают, что, возможно, обнаружили "вспомогательную" систему управления иммунным ответом — молекулярный "алфавит" для коммуникации с иммунной системой человека.

Результаты были недавно опубликованы Эньпином Хонгом, Анкитом Шахом и Мариной Добровольской из Лаборатории исследования рака имени Фредерика, Эмилем Хисамутдиновым из Университета Болл Стейт, а также Джастином Халманом и Кириллом Афониным из Университета Северной Каролины в Шарлотте в журнале Nano Letters.

Идея о том, что выбранные сегменты РНК или ДНК можно использовать терапевтически (терапевтические нуклеиновые кислоты) для воздействия на функцию генов или клеток, существует давно. К сожалению, в клинических испытаниях большинство таких молекул продемонстрировали серьезный побочный эффект — они провоцировали сильную, часто фатальную реакцию иммунных клеток организма человека.

В последнее время нанотехнологи предложили создавать самоорганизующиеся наночастицы с потенциально терапевтическими последовательностями РНК или ДНК, комбинируя эффекты нескольких последовательностей в одном целевом препарате. Это дает множественные эффекты в одной частице, которой можно придавать различные формы — квадраты, треугольники, кубы и другие структуры. Однако тестирование этих потенциально мощных терапевтических частиц продвигалось медленно, поскольку исследователи предполагали, что они, вероятно, будут иметь такие же "иммунотоксичные" эффекты, как и природные фрагменты нуклеиновых кислот.

Однако некоторые наноученые усомнились, будут ли прогнозируемые иммунные реакции обязательными, учитывая сложность распознавания иммунной системой и уникальные свойства, создаваемые сборкой традиционных материалов в наночастицы различной формы и структуры.

"Даже если наночастицы из нуклеиновых кислот состоят из компонентов с известной иммунологической токсичностью, как только вы их комбинируете и реформируете, наноформулировка становится совершенно другим зверем", — сказал Афонин, один из корреспондирующих авторов статьи.

"Наши результаты показали, что, хотя некоторые прогнозы были верны, многие оказались совершенно ошибочными, — отметил Афонин. — Нельзя предсказать иммунотоксичность наночастиц из нуклеиновых кислот, просто анализируя реакции на природные ДНК и РНК. Мы получили неожиданные результаты".

Чтобы проверить иммунотоксичность частиц и, возможно, найти ключи к механизмам реакции иммунных клеток, Афонин и его коллеги выбрали "библиотеку" из 25 различных наночастиц из ДНК или РНК, разработанных исследователями в этой области. Подбор был тщательным, чтобы "охватить все возможные связи" между молекулярными свойствами частиц и иммунными реакциями. Библиотека включала репрезентативную выборку планарных (плоских), глобулярных и фиброзных (нитевидных) частиц с разными размерами и молекулярными массами, а также отличающихся по ряду критических химических атрибутов. Частицы вводили иммунным клеткам (мононуклеарным клеткам периферической крови) из крови 60 уникальных доноров-людей и отслеживали выработку 29 различных цитокинов.

Детали результатов были информативны как в отношении иммунотоксичности частиц (поскольку иммунный ответ варьировался), так и в отношении специфического поведения различных иммунных клеток.

Фундаментальным открытием стало то, что "голые" наночастицы из нуклеиновых кислот (не связанные с другими биологическими молекулами) вообще не вызывали иммунного ответа. Команда обнаружила, что, в отличие от природных фрагментов ДНК или РНК, созданные частицы не могли проникнуть ни в одну иммунную клетку без "транспортных" молекул, обеспечивающих их вход. По сути, простые наночастицы из нуклеиновых кислот "невидимы" для иммунной системы человека.

Однако как только частицы соединяли с транспортными молекулами, они могли проникать в клетки и вызывать четкие реакции, на что и надеялись исследователи. "Вопрос в том, когда мы отправляем эту частицу внутрь человеческой клетки, что делает клетка, особенно иммунная? Видит ли она конкретную форму как угрозу?" — задавался вопросом Афонин.

Результаты показывают, что размер, форма, 3D-структура (например, кубы по сравнению с плоскими квадратами), состав (ДНК или РНК) и химическая природа сборки частиц ("связность") — все это оказывало характерное влияние на иммунный ответ и на то, какие иммунные клетки реагировали.

Среди обнаруженных деталей было то, что частицы, состоящие из ДНК, как правило, вызывали меньший иммунный ответ, чем частицы из РНК. РНК-кольца (плоские структуры) и РНК-волокна вызывали меньший ответ, чем РНК-кубы (глобулярные структуры). Более детально: ДНК-кубы индуцировали выработку цитокинов — интерферонов I типа альфа и омега, но только РНК-кубы могли индуцировать интерферон I типа бета или интерферон III типа лямбда. Разные производимые цитокины указывали на то, что различия в частицах избирательно влияли на тип затронутой иммунной клетки.

Хотя результаты важны с научной точки зрения, исследователи подчеркивают, что новая информация имеет значение для будущего практического применения.

"Наши результаты подчеркивают ключевые параметры, которые определяют способ взаимодействия наночастиц из нуклеиновых кислот с иммунной системой, — говорится в статье. — Эти новые идеи улучшают текущее понимание иммуностимулирующих свойств наночастиц из нуклеиновых кислот и прокладывают путь к разработке нового вспомогательного молекулярного языка, который может быть выражен через сценарий рационально спроектированных наночастиц из нуклеиновых кислот".

"У нас есть алфавит для прямого общения с иммунной системой, — сказал Афонин. — Теперь нам нужно выяснить синтаксис этого нового языка: как собрать эти буквы в слова, составить предложения, объединить их в абзацы и, в конечном итоге, как написать историю. Но сейчас у нас есть алфавит — это только начало, но я думаю, что это фундаментальная работа".

Афонин указывает, что "алфавит", описывающий иммунный ответ на конкретные конструкции частиц, естественно, может быть полезен для избегания нежелательных реакций. Но он имеет больший потенциал для ситуаций, когда ответ фактически желателен (например, в случае вакцин), и еще больше возможностей, когда лечение требует специфического "сообщения" для запуска очень конкретного иммунного ответа.

"Если вам нужно доставить лекарство, вы, вероятно, захотите, чтобы носитель был неиммуногенным. Мы можем точно сказать, какую частицу вы можете использовать для этого, — говорит он. — Но если вы хотите стимулировать иммунный ответ, например, чтобы активировать иммунную систему против рака... тогда вы можете использовать определенные частицы, которые активируют иммунный ответ, но избегают воспаления. Мы можем производить интерфероны, но не воспалительные цитокины, например.

"Это как снайперская стрельба, — объяснил он. — Вы будете стрелять по конкретному цитокину, не затрагивая другие. Это как буква или слово, как текстовое сообщение, которое мы отправляем иммунной системе. Иммунная система прочитает ваше сообщение и ответит интерфероном".