Преодоление барьеров доставки лекарств с помощью улучшенных липидных наночастиц
Доставка лекарств — одна из самых значительных проблем в медицине, поскольку терапевтическому агенту необходимо пройти через сложную среду организма и остаться неповрежденным внутри пораженных клеток.
Коллаборация Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и компании Genentech (входит в группу Roche) работает над преодолением этих барьеров, проектируя наиболее эффективные липидные наночастицы (LNP). Это крошечные сферические капсулы из жирных молекул, которые инкапсулируют терапевтические агенты до стыковки с клеточными мембранами. Первый препарат на основе LNP был одобрен в 2018 году, но метод стал широко известен благодаря мРНК-вакцинам от COVID-19 от Pfizer и Moderna.
"Это довольно умная система, потому что если просто доставить РНК в организм человека, она будет разрушена нуклеазами и не сможет легко пересечь клеточную мембрану из-за своего размера и заряда. Но LNP доставляют её безопасно внутрь клетки", — объяснил соавтор Чун-Вань Йен, старший главный научный сотрудник Genentech.
LNP сейчас широко исследуются как система доставки для вакцин против других инфекционных заболеваний или терапевтических вакцин против рака. Успех этих приложений зависит от:
- Эффективности слияния липидных оболочек с клетками-мишенями.
- Стабильности препаратов на основе LNP при хранении (долгий срок годности).
- Стабильности в организме (для пролонгированного действия).
Все эти свойства контролируются смесью молекул, используемых для создания LNP, и результирующей 3D-структурой частицы.
Высокопроизводительный прорыв и корреляция структуры с активностью
В последней статье в ACS Nano команда описала высокопроизводительный рабочий процесс, позволяющий создавать и характеризовать LNP с рекордной скоростью.
Исследование также впервые продемонстрировало, как структура LNP коррелирует с активностью её содержимого — в данном случае антисмыслового олигонуклеотида (ASO). ASO — это небольшие фрагменты пар оснований РНК или ДНК, которые блокируют экспрессию генов, связываясь с цепями мРНК и предотвращая их трансляцию в белки. Как и мРНК, они уязвимы для нуклеаз и плохо поглощаются клетками.
Учёные обнаружили, что LNP, несущие ASO, с упорядоченной, плотно упакованной внутренней структурой приводили к лучшему "замолканию" дефектного гена в человеческих нейронах (связанного с дегенеративным заболеванием), по сравнению с LNP, имеющими более неупорядоченную структуру. Эти выводы сделаны на основе клеточных исследований, а не на животных моделях, поэтому работа продолжается.
"Мы генерируем LNP с высокой пропускной способностью, а команда Грега и Михала может предложить высокопроизводительный анализ... Мы можем генерировать большие наборы данных, и я думаю, именно поэтому мы получили это очень уникальное и крутое открытие", — сказал Йен.
"Эта статья действительно описывает метод, который мы собираемся применить к тысячам других составов, которые мы намерены охарактеризовать", — добавил Грег Хура. — "Мы надеемся, что это будет общий метод для оптимизации липидных наночастиц... Этот тип терапии имеет очень широкое применение".
Как создаются LNP и как их изучают
Структура LNP зависит от способа смешивания, состава и порядка смешивания. LNP состоят из четырёх ингредиентов, каждый из которых имеет разные формы и может комбинироваться в разных соотношениях, что приводит к экспоненциальному числу возможных формул. Кроме того, LNP со временем меняются.
Учёные Genentech разработали роботизированный рабочий процесс, который может генерировать сотни составов LNP за несколько часов. Затем образцы каждого состава доставляются в Berkeley Lab для проведения малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) на синхротроне Advanced Light Source.
Биологическая линия SAXS может быстро обрабатывать множество образцов, при этом образцы не нужно замораживать или кристаллизовать — это позволяет изучать структуру LNP при физиологических температурах. SAXS также позволяет делать "снимки" LNP в определённые моменты времени для оценки их структурной долговечности.
Дополнительно команда Genentech использует ускоренный процесс для изучения влияния LNP на экспрессию генов в клетках-мишенях. Сочетание этих методов позволяет скрининговать потенциальные LNP с беспрецедентной скоростью.
Планы на будущее включают изучение как мелких деталей (например, влияние изменения концентрации ингредиента на 1%), так и крупных вопросов, таких как поведение LNP с разным грузом и их взаимодействие с разными типами клеток-мишеней.
"Мы знаем, что мРНК-LNP работают, но всё ещё существует огромный пробел в знаниях. Вот почему я чувствую, что наша статья является пионером в этой области, и, надеюсь, мы сможем также получить больше данных и понимания для будущих применений", — отметил Йен.