Новая технология на основе мРНК превращает клетки в долговременные фабрики лекарств
Исследователи разработали метод на основе рибонуклеиновой кислоты (РНК), который заставляет клетки в организме производить терапевтические белки и секретировать их в кровоток. Этот подход потенциально может продлить срок жизни лекарств в организме, снизив нагрузку на пациентов, которым требуются частые инъекции.
Учёные из UT Southwestern Medical Center использовали природную биомолекулу — сигнальный пептид, который определяет, куда клетка отправляет белки (действуя как "транспортная этикетка"). Это позволило высвобождать в кровь белки, которые в норме остаются внутри клетки.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, сообщается, что новый подход обеспечил секрецию и увеличил время циркуляции терапевтического белка по сравнению со стандартными инъекциями в мышиной модели псориаза, продемонстрировав положительный эффект. Отдельно положительные результаты были показаны на моделях рака у животных.
Модульный характер техники предполагает, что её можно адаптировать для лечения широкого спектра заболеваний.
"Это потенциально может стать мощной платформенной технологией. Соединив сигнальный пептид с любым конкретным белком — например, с инсулином для пациентов с диабетом, — вы можете очень легко адаптировать этот метод к различным заболеваниям", — сказал Джермонт Чен, доктор философии, программный директор отдела Discovery Science and Technology Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB).
Матричная РНК (мРНК) — это биомолекула, которая предоставляет инструкции клеточным механизмам для производства белков. Учёные научились вводить мРНК в организм, чтобы заставить клетки производить определённые белки, как в случае с мРНК-вакцинами. Но при таком подходе белки обычно остаются внутри клетки. При аутоиммунных заболеваниях, некоторых видах рака и многих других болезнях терапевтические белки работают лучше всего, когда циркулируют по всему организму через кровоток.
Вдохновением для профессора биомедицинской инженерии и биохимии Дэниела Сигварта, доктора философии, стали природные белки, которые в норме находятся в кровотоке. Белки крови, вырабатываемые печенью, имеют на своих концах небольшие структуры — сигнальные пептиды, которые определяют назначение белка. Некоторые из этих пептидов заставляют клетки транспортировать белки к клеточной мембране или ядру, а другие направляют белки в клеточную органеллу, называемую эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР), где они подготавливаются к высвобождению в кровоток.
"Мы хотели выяснить, можем ли мы скопировать и вставить специфические сигнальные пептиды из секретируемых белков в другие белки, которые обычно остаются в клетке, чтобы доставить их в кровоток. Если бы это было возможно, то мы могли бы создать фабрику в организме для производства и секреции лекарств", — сказал Сигварт, автор-корреспондент исследования.
Авторы исследования разработали последовательности мРНК, которые присоединяли сигнальный пептид от белка свёртывания крови к концам других белков. Они упаковали эти последовательности в специальные наночастицы, ранее разработанные командой для доставки мРНК в печень.
Эксперименты на моделях псориаза
В одном из экспериментов авторы протестировали свой подход, названный Signal peptide Engineered Nucleic acid Design (SEND), на мышах с псориазоподобным заболеванием кожи.
Псориаз можно лечить инъекцией синтетического белка этанерцепта. Чтобы оценить свою платформу SEND, исследователи создали конструкцию мРНК, которая заставляла клетки производить версию этанерцепта, включающую сигнальный пептид для навигации процесса секреции через ЭПР. Как только терапевтический белок достигает ЭПР, сигнальный пептид отщепляется, позволяя клетке высвободить идентичную версию лекарства этанерцепта в кровоток.
Для сравнения исследователи внутривенно вводили этанерцепт одной группе мышей, а другой группе — наночастицы, заполненные мРНК SEND. Затем они зафиксировали, как долго белок оставался в крови в каждой группе.
Они обнаружили, что при прямой инъекции белок циркулировал менее 24 часов, тогда как белки, произведённые с помощью SEND, сохранялись почти неделю. В ходе эксперимента собственные клетки животных произвели примерно в 12 раз больше этанерцепта, чем количество, введённое мышам в другой группе.
Кожа мышей, получавших лечение SEND, также значительно восстановилась по сравнению с кожей животных, получавших наночастицы, несущие сигнальный пептид, но без терапевтического белка.
Эксперименты на моделях рака
В другом эксперименте авторы протестировали эффекты SEND на мышиных моделях двух различных типов рака: аденокарциномы и меланомы. На этот раз они связали тот же сигнальный пептид с противораковым препаратом анти-PDL1.
По сравнению с лечением наночастицами, в которых отсутствовала мРНК для производства препарата, полное лечение SEND как уменьшило рост опухоли, так и продлило выживаемость животных при обоих типах рака.
Теперь авторы нацелены на дополнительные применения, такие как фермент-заместительная терапия, и на более крупные модели животных, чтобы приблизить платформу SEND к клиническому применению.
"Мы предполагаем, что, если этот метод будет перенесён на людей, эта платформа может позволить человеку получать противовоспалительное лекарство, например, раз в месяц вместо нескольких раз в неделю. И поскольку вакцина против COVID-19 установила новую модель внедрения медицинской помощи на основе мРНК, всё это потенциально можно будет делать в аптеке или дома", — сказал Сигварт.