Минеральные частицы — эффективные носители для перспективной генной терапии

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон разработали более безопасный и эффективный способ доставки нового метода лечения рака, заболеваний печени и вакцинации — включая вакцину от COVID-19 компании Moderna Therapeutics, уже прошедшую клинические испытания на людях.

Технология основана на внедрении в клетки искусственно созданных молекул матричной РНК (mRNA) — генетического материала, который клетки человека обычно считывают с ДНК для производства необходимых белков. Проблемы безопасной и целостной доставки mRNA, не вызывающей чрезмерного иммунного ответа, сдерживали развитие mRNA-терапии. Учёные создали микроскопические шарики из минералов, которые успешно справляются с этой задачей в экспериментах на мышах.

"Эти микрчастицы имеют нанопоры на поверхности, которые позволяют им захватывать и переносить молекулы, такие как белки или mRNA", — объясняет Уильям Мёрфи, профессор биомедицинской инженерии и ортопедии. — "Они имитируют явление, часто встречающееся в археологии, когда на костных образцах или скорлупе яиц возрастом в тысячи лет находят неповреждённые белки или ДНК. Минеральные компоненты помогли стабилизировать эти молекулы на всё это время".

Мёрфи и его коллеги использовали минеральные микрчастицы (MCMs) диаметром 5–10 микрометров (размер человеческой клетки) в серии экспериментов по доставке mRNA к клеткам вокруг ран у мышей с диабетом. Раны у обработанных MCMs мышей заживали быстрее, а клетки демонстрировали гораздо более эффективное поглощение mRNA по сравнению с другими методами доставки.

Исследователи описали свои результаты в журнале Science Advances.

В здоровой клетке ДНК транскрибируется в mRNA, которая служит инструкцией для клеточных механизмов по производству белков. Лабораторная молекула mRNA может быть подставлена в этот процесс, чтобы заставить клетку произвести что-то новое. Если этим "чем-то" является определённый антиген (молекула, предупреждающая иммунную систему о присутствии вируса), mRNA выполняет функцию вакцины.

Исследователи закодировали mRNA инструкциями для выработки фактора роста — белка, запускающего процессы заживления, которые у мышей с диабетом (и у многих людей с тяжёлой формой диабета) протекают медленно или отсутствуют.

mRNA быстро разрушается в организме, поэтому для доставки достаточной дозы обычно требуются большие и частые дозы, где цепи mRNA упакованы в контейнеры из катионных полимеров.

"Часто катионный компонент токсичен. Чем больше mRNA вы доставляете, тем больше терапевтический эффект, но тем выше вероятность токсического действия. Это компромисс", — говорит Мёрфи. — "Мы обнаружили, что при доставке с помощью MCMs мы не наблюдаем этой токсичности. И поскольку MCMs защищают mRNA от деградации, можно доставить больше mRNA в нужное место, смягчая токсические эффекты".

В исследовании mRNA также сочетали с белком, подавляющим иммунную систему, чтобы целевые клетки не распознали mRNA как чужеродный объект и не уничтожили его.

Успешная доставка mRNA обычно заставляет клетку следовать новым инструкциям около 24 часов, а произведённые молекулы распространяются по телу. Этого достаточно для вакцин и производимых ими антигенов. Для длительных процессов, таких как регенерация тканей для заживления кожи или органов, производимые клетками белки или факторы роста должны оставаться на месте гораздо дольше.

"Мы наблюдали, что как только клетки поглощают mRNA и начинают производить белок, этот белок связывается обратно внутри частицы MCM", — говорит Мёрфи. — "Затем он высвобождается в течение нескольких недель. Мы, по сути, берём то, что в норме длится часы или день, и заставляем это работать долгое время".

Поскольку MCMs достаточно велики, чтобы не попадать в кровоток, они остаются именно там, где нужны, для длительного высвобождения терапии. У мышей такая терапевтическая активность продолжалась более 20 дней.

"Они сделаны из минералов, подобных зубной эмали и кости, но спроектированы так, чтобы безопасно рассасываться организмом, когда в них больше нет нужды", — говорит Мёрфи, чья работа поддержана Агентством по охране окружающей среды (EPA), Национальными институтами здоровья (NIH), Национальным научным фондом (NSF) и пожертвованием выпускников университета.

"Мы можем контролировать срок их жизни, регулируя способ изготовления, так что они безопасно растворяются, когда это необходимо".

Технология создания микрчастиц запатентована с помощью Wisconsin Alumni Research Foundation и лицензирована компании Dianomi Therapeutics, сооснователем которой является Мёрфи.

Сейчас исследователи работают над восстановлением костной и хрящевой ткани, а также лечением травм спинного мозга с помощью mRNA, доставляемой MCMs.