Leveren van functionele genen in cellen om gemuteerde genen te vervangen, een benadering die bekend staat als gentherapie, heeft potentieel voor de behandeling van vele soorten ziekten. De vroegste pogingen om genen af ​​te leveren aan zieke cellen waren gericht op DNA, maar veel wetenschappers onderzoeken nu de mogelijkheid om in plaats daarvan RNA te gebruiken, die een betere veiligheid en een eenvoudigere levering zou kunnen bieden.

Biologische ingenieurs van MIT hebben nu een manier bedacht om de expressie van RNA te reguleren zodra het in cellen terechtkomt. waardoor ze nauwkeurige controle hebben over de dosis eiwit die een patiënt krijgt. Met deze technologie kunnen artsen de behandeling nauwkeuriger afstemmen op individuele patiënten, en het biedt ook een manier om de genen snel uit te schakelen, indien nodig.

"We kunnen heel discreet bepalen hoe verschillende genen tot expressie worden gebracht, " zegt Jacob Becraft, een MIT-afgestudeerde student en een van de hoofdauteurs van de studie, die verschijnt in het nummer van 16 oktober van Natuur Chemische Biologie . "Historisch, gentherapieën hebben problemen ondervonden met betrekking tot veiligheid, maar met nieuwe vorderingen in de synthetische biologie, we kunnen geheel nieuwe paradigma's van 'slimme therapieën' creëren die actief samenwerken met de eigen cellen van de patiënt om de werkzaamheid en veiligheid te vergroten."

Becraft en zijn collega's van MIT zijn een bedrijf gestart om deze aanpak verder te ontwikkelen, met een eerste focus op de behandeling van kanker. Tyler Wagner, een recente Boston University Ph.D. ontvanger, is ook een hoofdauteur van het papier. Tasuku Kitada, een voormalig MIT-postdoc, en Ron Weiss, een MIT-professor biologische engineering, zijn senior auteurs.

RNA-circuits

Tot nu toe zijn slechts enkele gentherapieën goedgekeurd voor menselijk gebruik, maar wetenschappers werken aan en testen nieuwe gentherapiebehandelingen voor ziekten zoals sikkelcelanemie, hemofilie, en aangeboren oogziekte, onder vele anderen.

Als hulpmiddel voor gentherapie, DNA kan moeilijk zijn om mee te werken. Wanneer gedragen door synthetische nanodeeltjes, de deeltjes moeten worden afgeleverd bij de kern, wat inefficiënt kan zijn. Virussen zijn veel efficiënter voor DNA-afgifte; echter, ze kunnen immunogeen zijn, moeilijk, en duur om te produceren, en integreren vaak hun DNA in het eigen genoom van de cel, hun toepasbaarheid in genetische therapieën te beperken.

Boodschapper RNA, of mRNA, biedt een meer directe, en niet-permanente, manier om de genexpressie van cellen te veranderen. In alle levende cellen mRNA vervoert kopieën van de informatie in DNA naar celorganellen die ribosomen worden genoemd, die de eiwitten assembleren die door genen worden gecodeerd. Daarom, door mRNA af te leveren dat codeert voor een bepaald gen, wetenschappers kunnen de productie van het gewenste eiwit induceren zonder genetisch materiaal in de celkern te moeten krijgen of het in het genoom te integreren.

Om op RNA gebaseerde gentherapie effectiever te maken, het MIT-team wilde de productie van therapeutische eiwitten nauwkeurig regelen zodra het RNA in cellen terechtkomt. Om dat te doen, ze besloten de principes van synthetische biologie aan te passen, die nauwkeurige programmering van synthetische DNA-circuits mogelijk maken, naar RNA.

De nieuwe circuits van de onderzoekers bestaan ​​uit een enkele streng RNA die zowel genen bevat voor de gewenste therapeutische eiwitten als genen voor RNA-bindende eiwitten, die de expressie van de therapeutische eiwitten regelen.

"Vanwege de dynamische aard van replicatie, de prestaties van de circuits kunnen worden afgestemd om verschillende eiwitten op verschillende tijdstippen tot expressie te laten komen, allemaal van dezelfde streng RNA, ' zegt Becraft.

Hierdoor kunnen de onderzoekers de circuits op het juiste moment inschakelen door gebruik te maken van "kleine moleculen" -medicijnen die interageren met RNA-bindende eiwitten. Wanneer een medicijn zoals doxycycline, die al door de FDA is goedgekeurd, wordt toegevoegd aan de cellen, het kan de interactie tussen RNA en RNA-bindende eiwitten stabiliseren of destabiliseren, afhankelijk van hoe de schakeling is ontworpen. Deze interactie bepaalt of de eiwitten RNA-genexpressie blokkeren of niet.

In een eerdere studie, de onderzoekers toonden ook aan dat ze celspecificiteit in hun circuits konden inbouwen, zodat het RNA alleen actief wordt in de doelcellen.

Gericht op kanker

Het bedrijf dat de onderzoekers begonnen, Strandtherapie, werkt nu aan het aanpassen van deze benadering aan kankerimmunotherapie - een nieuwe behandelingsstrategie waarbij het eigen immuunsysteem van een patiënt wordt gestimuleerd om tumoren aan te vallen.

Met behulp van RNA, de onderzoekers zijn van plan om circuits te ontwikkelen die selectief immuuncellen kunnen stimuleren om tumoren aan te vallen, waardoor het mogelijk wordt om tumorcellen te targeten die zijn uitgezaaid naar moeilijk bereikbare delen van het lichaam. Bijvoorbeeld, het is moeilijk gebleken om zich op kankercellen te richten, zoals longlaesies, met mRNA vanwege het risico op ontsteking van het longweefsel. Met behulp van RNA-circuits, de onderzoekers leveren hun therapie eerst aan gerichte kankerceltypes in de long, en via hun genetische circuits, het RNA zou T-cellen activeren die de uitzaaiingen van de kanker elders in het lichaam zouden kunnen behandelen.

"De hoop is een immuunrespons op te wekken die in staat is om de rest van de metastasen door het hele lichaam op te pikken en te behandelen, " zegt Becraft. "Als je in staat bent om één plaats van de kanker te behandelen, dan zorgt je immuunsysteem voor de rest, omdat je er nu een immuunrespons tegen hebt opgebouwd."

Met behulp van dit soort RNA-circuits, artsen zouden doseringen kunnen aanpassen op basis van hoe de patiënt reageert, zeggen de onderzoekers. De circuits bieden ook een snelle manier om de productie van therapeutische eiwitten uit te schakelen in gevallen waarin het immuunsysteem van de patiënt overprikkeld raakt, die mogelijk fataal kunnen zijn.

In de toekomst, de onderzoekers hopen complexere circuits te ontwikkelen die zowel diagnostisch als therapeutisch kunnen zijn - eerst een probleem detecteren, zoals een tumor, en vervolgens het juiste medicijn te produceren.