Уникальный метод доставки мРНК может исправить дефектные гены до рождения
Новое исследование показывает, что биомедицинский инструмент может успешно доставлять генетический материал для редактирования дефектных генов в развивающихся клетках мозга плода. Технология, протестированная на мышах, может иметь потенциал для остановки прогрессирования генетических нарушений развития нервной системы, таких как синдром Ангельмана и синдром Ретта, до рождения.
«Последствия этого инструмента для лечения нарушений развития нервной системы глубоки. Мы потенциально можем исправить генетические аномалии на фундаментальном уровне в критические периоды развития мозга», — сказал старший автор исследования Айджун Ван, профессор хирургии и биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Дэвисе.
Исследование, совместная работа лаборатории Ванга и лаборатории Мурти в Калифорнийском университете в Беркли, опубликовано в ACS Nano. Команда надеется разработать эту технологию в методы лечения генетических состояний, которые можно диагностировать во время пренатального тестирования. Лечение можно проводить в утробе матери, чтобы избежать дальнейшего повреждения по мере развития и созревания клеток.
Сложная транспортная система с революционным методом доставки
Белки играют решающую роль в функционировании нашего организма. Они собираются в клетках на основе инструкций от матричной РНК (мРНК). При некоторых генетических состояниях гены экспрессируют (производят) больше или меньше белков, чем нужно организму. В таких случаях организм может выйти из равновесия, и потребуется «заглушить» сверхактивный ген или восполнить низкий уровень белка.
«Белки имеют большие и сложные структуры, что затрудняет их доставку», — сказал Ван. «Их доставка остается огромной проблемой и мечтой для лечения болезней».
Вместо доставки белков ученые нашли способ доставлять мРНК в клетки, где она будет транслирована в функциональные белки. Этот метод доставки использует уникальную формулировку липидных наночастиц (LNP) для переноса мРНК. Цель — ввести (трансфецировать) генетический материал мРНК в клетки. Затем мРНК транслирует инструкции для сборки белков.
Доставка мРНК с помощью LNP уже меняет подходы к лечению болезней. Она находит применение в разработке вакцин, редактировании генов и заместительной белковой терапии. В последнее время доставка мРНК стала более популярной благодаря ее использованию в вакцинах Pfizer и Moderna против COVID-19.
Важность эффективности в доставке мРНК с помощью LNP
В недавней статье в Nature Nanotechnology Ван, Мурти и их команда описали новую формулировку LNP для безопасной и эффективной доставки мРНК. LNP, несущие мРНК, должны достичь клеток, где они будут поглощены в процессе, известном как эндоцитоз. Там клетка разрушает носитель LNP, что позволяет высвободить груз мРНК.
Одна молекула мРНК имеет размер около 100 нанометров. Для сравнения, лист бумаги толщиной около 100 000 нанометров.
«LNP, разработанные в этом исследовании, используют новую кислотно-разлагаемую связку, которая позволяет LNP быстро разрушаться внутри клеток. Новая связка также позволяет создавать LNP с более низкой токсичностью», — сказал Нирен Мурти, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли и соисследователь этого проекта.
«Когда клетки поглощают LNP, частицы разрушаются в кислой среде эндосомы клетки. Это вызывает более эффективное и раннее высвобождение мРНК в цитозоль — жидкий компонент внутри клетки, где мРНК будет транслирована в белки. Именно там мы хотим, чтобы мРНК была эффективной и функциональной», — объяснил Ван.
Эффективность тесно связана с токсичностью. По этой причине важно знать, сколько носителей LNP клетке нужно поглотить, чтобы произвести достаточно белков. Если эффективность поглощения низкая, ученым придется использовать много наночастиц. Это означает множественные или высокие дозы, которые могут вызвать токсический иммунный ответ.
«Самым большим препятствием для доставки мРНК в центральную нервную систему до сих пор была токсичность, приводящая к воспалению», — сказал Ван.
Исследование показало, что метод LNP более эффективен в трансляции мРНК, снижая потребность в потенциально токсичных дозах.
Отправка инструкции по сборке фермента CAS9 для редактирования генов
Новое исследование описывает использование технологии LNP для доставки мРНК Cas9 для лечения генетических заболеваний центральной нервной системы in utero. Исследователи протестировали свой инструмент на гене, ответственном за синдром Ангельмана — редкое нарушение развития нервной системы.
При генетическом заболевании повреждения накапливаются во время беременности и вскоре после рождения. Исследования показывают, что доставлять терапию в клетки мозга эффективнее до того, как гематоэнцефалический барьер у младенцев полностью сформирован. Таким образом, чем раньше происходит коррекция, тем лучше. Идея заключалась в том, чтобы остановить прогрессирование болезни in utero.
Исследователи ввели LNP с мРНК в желудочки мозга плода в модели мыши. мРНК транслируется в CAS9 — белок, который работает как ножницы для редактирования генов. Произведенный CAS9 отредактирует ген, ответственный за синдром Ангельмана.
«мРНК похожа на инструкцию к Lego, в которой есть указания, как сложить детали вместе, чтобы сформировать функциональные белки. Сама клетка имеет все детали для сборки CAS9. Нам просто нужно предоставить последовательность мРНК, и клетка примет ее и транслирует в белки», — объяснил Ван.
Результаты
Исследование показало, что инструмент LNP был высокоэффективен в доставке мРНК, которая транслировалась в CAS9.
Используя трассеры, исследователи могли видеть все отредактированные нейроны внутри мозга. Их исследование показало, что наночастицы были поглощены развивающимися нейральными стволовыми клетками и клетками-предшественниками мозга. Наночастицы привели к редактированию генов в 30% стволовых клеток мозга в модели мыши.
«Трансфекция 30% всего мозга, особенно стволовых клеток, — это большое дело. Эти клетки мигрируют и распространяются во многие области мозга по мере дальнейшего развития плода», — сказал Ван.
В ходе исследования, по мере продолжения развития плода, стволовые клетки пролиферировали и мигрировали, формируя центральную нервную систему. Исследование показало, что более 60% нейронов в гиппокампе и 40% нейронов в коре головного мозга были трансфецированы.
«Это очень многообещающий метод для генетических состояний, затрагивающих центральную нервную систему. Когда дети рождаются, многие из нейронов уже могут быть исправлены. Это означает, что ребенок может родиться без симптомов», — объяснил Ван.
Ван ожидает увидеть еще более высокий процент трансфецированных клеток в модели мыши с заболеванием.
«Плохие нейроны с мутацией могут быть уничтожены из-за накопления симптомов болезни, а хорошие нейроны могут остаться и пролиферировать. Это может привести к усилению терапевтической эффективности. Если мы достаточно хорошо знаем, как работают клетки, мы можем использовать эти знания, чтобы сотрудничать с естественными путями, происходящими в клетке», — сказал он.