In een voorschot dat zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor een verscheidenheid aan ziekten, MIT-onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om boodschapper-RNA (mRNA) in cellen af ​​te leveren.

Boodschapper RNA, een groot nucleïnezuur dat codeert voor genetische informatie, kan cellen aansturen om specifieke eiwitten te produceren. In tegenstelling tot DNA, mRNA wordt niet permanent in het genoom van een cel ingebracht, dus het zou kunnen worden gebruikt om een ​​therapeutisch eiwit te produceren dat slechts tijdelijk nodig is. Het kan ook worden gebruikt om gen-editing-eiwitten te produceren die het genoom van een cel veranderen en vervolgens verdwijnen. het risico van off-target effecten te minimaliseren.

Omdat mRNA-moleculen zo groot zijn, onderzoekers hadden moeite met het ontwerpen van manieren om ze efficiënt in cellen te krijgen. Het was ook een uitdaging om mRNA af te leveren aan specifieke organen in het lichaam. De nieuwe MIT-aanpak, waarbij mRNA wordt verpakt in polymeren die aminopolyesters worden genoemd, lost beide obstakels op.

"We zijn enthousiast over het potentieel van deze formuleringen om mRNA op een veilige en effectieve manier af te leveren, " zegt Daniël Anderson, een universitair hoofddocent bij het MIT's Department of Chemical Engineering en een lid van het MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Anderson is de senior auteur van het artikel, die in het journaal verschijnt Geavanceerde materialen . De hoofdauteurs van het artikel zijn MIT-postdoc Piotr Kowalski en voormalig gaststudent Umberto Capasso Palmiero van Politecnico di Milano. Andere auteurs zijn onderzoeksmedewerker Yuxuan Huang, postdoc Arnab Rudra, en David H. Koch Instituut Professor Robert Langer.

Polymeer controle

Cellen gebruiken mRNA om instructies voor eiwitopbouw van DNA naar ribosomen te brengen, waar eiwitten worden geassembleerd. Door synthetisch mRNA aan cellen te leveren, onderzoekers hopen cellen te kunnen stimuleren om eiwitten te produceren die kunnen worden gebruikt om ziekten te behandelen. Wetenschappers hebben een aantal effectieve methoden ontwikkeld voor het afleveren van kleinere RNA-moleculen, en een aantal van deze materialen hebben potentieel aangetoond in klinische onderzoeken.

Het MIT-team besloot mRNA te verpakken in nieuwe polymeren, aminopolyesters genaamd. Deze polymeren zijn biologisch afbreekbaar, en in tegenstelling tot veel andere leveringspolymeren, ze hebben geen sterke positieve lading, waardoor ze minder kans hebben om cellen te beschadigen.

Om de polymeren te maken, de onderzoekers gebruikten een aanpak waarmee ze de eigenschappen van het polymeer konden controleren, zoals het molecuulgewicht. Dit betekent dat de kwaliteit van de geproduceerde polymeren in elke batch hetzelfde zal zijn, wat belangrijk is voor klinische transitie en vaak niet het geval is bij andere polymeersynthesemethoden.

"Het kunnen beheersen van het molecuulgewicht en de eigenschappen van je materiaal helpt om reproduceerbaar nanodeeltjes met vergelijkbare eigenschappen te maken, en om dragers te produceren uitgaande van bouwstenen die biocompatibel zijn, zou hun toxiciteit kunnen verminderen, ' zegt Capasso Palmiero.

"Het maakt klinische vertaling veel moeilijker als je geen controle hebt over de reproduceerbaarheid van het toedieningssysteem en de vrijgekomen afbraakproducten, wat een uitdaging is voor op polymeren gebaseerde nucleïnezuurafgifte, ' zegt Kowalski.

Voor deze studie is de onderzoekers creëerden een diverse bibliotheek van polymeren die varieerden in de samenstelling van de amino-alcoholkern en de lactonmonomeren. De onderzoekers varieerden ook de lengte van polymeerketens en de aanwezigheid van koolstofatoomzijketens in de lactonsubeenheden.

Na het maken van ongeveer drie dozijn verschillende polymeren, de onderzoekers combineerden ze met lipiden, die helpen de deeltjes te stabiliseren, en ingekapseld mRNA in de nanodeeltjes.

In proeven bij muizen, de onderzoekers identificeerden verschillende deeltjes die effectief mRNA aan cellen konden leveren en de cellen ertoe aanzetten het eiwit te synthetiseren dat door het mRNA wordt gecodeerd. Tot hun verbazing, ze ontdekten ook dat verschillende van de nanodeeltjes zich bij voorkeur ophopen in bepaalde organen, inclusief de lever, longen, hart, en milt. Door dit soort selectiviteit kunnen onderzoekers specifieke therapieën op bepaalde locaties in het lichaam afleveren.

"Het is een uitdaging om weefselspecifieke mRNA-afgifte te bereiken, " zegt Yizhou Dong, een universitair hoofddocent farmacie en farmaceutische chemie aan de Ohio State University, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De bevindingen in dit rapport zijn zeer opwindend en bieden nieuwe inzichten over chemische kenmerken van polymeren en hun interacties met verschillende weefsels in vivo. Deze nieuwe polymere nanomaterialen zullen de systemische levering van mRNA voor therapeutische toepassingen vergemakkelijken."

Ziekte als doelwit

De onderzoekers hebben niet onderzocht waardoor verschillende nanodeeltjes naar verschillende organen gaan, maar ze hopen die vraag verder te bestuderen. Deeltjes die specifiek gericht zijn op verschillende organen kunnen zeer nuttig zijn voor de behandeling van longziekten zoals pulmonale hypertensie, of voor het afleveren van vaccins aan immuuncellen in de milt, zegt Kowalski. Een andere mogelijke toepassing is het gebruik van de deeltjes om mRNA af te leveren dat codeert voor de eiwitten die nodig zijn voor de genoombewerkingstechniek die bekend staat als CRISPR-Cas9, die permanente toevoegingen of verwijderingen aan het genoom van een cel kunnen maken.

Het laboratorium van Anderson werkt nu samen met onderzoekers van de Polytechnische Universiteit van Milaan aan de volgende generatie van deze polymeren in de hoop de efficiëntie van de RNA-afgifte te verbeteren en het vermogen van de deeltjes om zich op specifieke organen te richten te vergroten.

"Er is zeker een potentieel om de doeltreffendheid van deze materialen te verhogen door verdere modificaties, en er is ook potentieel om hopelijk deeltjes met verschillende orgaanspecificiteit te vinden door de bibliotheek uit te breiden, ' zegt Kowalski.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.