Met behulp van een techniek die bekend staat als "nucleïnezuurorigami, "Chemische ingenieurs hebben minuscule deeltjes gemaakt van DNA en RNA die fragmenten van RNA rechtstreeks aan tumoren kunnen leveren, het uitschakelen van genen die tot expressie worden gebracht in kankercellen.

Om dit type genuitschakeling te bereiken, bekend als RNA-interferentie, veel onderzoekers hebben geprobeerd - met enig succes - om RNA af te leveren met deeltjes gemaakt van polymeren of lipiden. Echter, die materialen kunnen veiligheidsrisico's opleveren en zijn moeilijk te richten, zegt Daniël Anderson, een universitair hoofddocent gezondheidswetenschappen en technologie en chemische technologie, en een lid van het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research aan het MIT.

De nieuwe deeltjes, ontwikkeld door onderzoekers van MIT, Alnylam Pharmaceuticals en Harvard Medical School, lijken deze uitdagingen te overwinnen, zegt Anderson. Omdat de deeltjes zijn gemaakt van DNA en RNA, ze zijn biologisch afbreekbaar en vormen geen bedreiging voor het lichaam. Ze kunnen ook worden gelabeld met foliumzuurmoleculen (vitamine B9) om de overvloed aan folaatreceptoren die op sommige tumoren worden aangetroffen, aan te pakken. inclusief die geassocieerd met eierstokkanker - een van de dodelijkste, moeilijkst te behandelen kankers.

Anderson is senior auteur van een paper over de deeltjes die verschijnen in het nummer van 3 juni van Natuur Nanotechnologie . Hoofdauteur van het artikel is voormalig MIT-postdoc Hyukjin Lee, nu een assistent-professor aan de Ewha Womans University in Seoul, Zuid-Korea.

Genetische verstoring

RNA-interferentie (RNAi), een natuurlijk fenomeen dat cellen gebruiken om hun genexpressie te controleren, heeft onderzoekers geïntrigeerd sinds de ontdekking in 1998. Genetische informatie wordt normaal gesproken van DNA in de kern naar ribosomen vervoerd, celstructuren waar eiwitten worden gemaakt. Kort interfererend RNA (siRNA) verstoort dit proces door te binden aan de boodschapper-RNA-moleculen die de instructies van DNA dragen, vernietigen ze voordat ze het ribosoom bereiken.

siRNA-leverende nanodeeltjes gemaakt van lipiden, die Anderson's lab en Alnylam ook ontwikkelen, in dierstudies enig succes hebben aangetoond bij het uitschakelen van kankergenen, en klinische proeven zijn nu aan de gang bij patiënten met leverkanker. Nanodeeltjes hebben de neiging zich op te hopen in de lever, milt en longen, dus leverkanker is een natuurlijk doelwit - maar het was moeilijk om dergelijke deeltjes op tumoren in andere organen te richten.

“Als je denkt aan uitgezaaide kanker, je wilt niet zomaar stoppen in de lever, ', zegt Anderson. “Je wilt ook naar meer diverse locaties.”

Een ander obstakel voor het vervullen van de belofte van RNAi is het vinden van manieren om de korte strengen RNA af te leveren zonder gezonde weefsels in het lichaam te beschadigen. Om deze mogelijke bijwerkingen te voorkomen, Anderson en zijn collega's besloten te proberen RNA af te leveren in een eenvoudig pakket gemaakt van DNA. Met behulp van nucleïnezuurorigami - waarmee onderzoekers 3D-vormen kunnen construeren uit korte DNA-segmenten - versmolten ze zes DNA-strengen om een ​​tetraëder te creëren (een zeskantige, piramide met vier gezichten). Een enkele RNA-streng werd vervolgens bevestigd aan elke rand van de tetraëder.

"Het bijzondere aan nucleïnezuurorigami is het feit dat je moleculair identieke deeltjes kunt maken en de locatie van elk afzonderlijk atoom kunt bepalen. ', zegt Anderson.

Om de deeltjes op tumorcellen te richten, de onderzoekers bevestigden drie folaatmoleculen aan elke tetraëder. Korte eiwitfragmenten kunnen ook worden gebruikt om de deeltjes op verschillende tumoren te richten.

Met behulp van nucleïnezuur origami, de onderzoekers hebben veel meer controle over de samenstelling van de deeltjes, waardoor het gemakkelijker wordt om identieke deeltjes te maken die allemaal het juiste doelwit zoeken. Dit is meestal niet het geval bij lipidenanodeeltjes, zegt Vinod Labhasetwar, een professor in biomedische technologie aan het Lerner Research Institute van de Cleveland Clinic. “Met lipidedeeltjes, je weet niet zeker welk deel van de deeltjes echt het doelweefsel bereikt, " zegt Labhasetwar, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Circuleren en accumuleren

In studies van muizen geïmplanteerd met menselijke tumoren, de onderzoekers ontdekten dat eenmaal geïnjecteerd, de nucleïnezuur-nanodeeltjes circuleerden in de bloedbaan met een halfwaardetijd van 24 minuten - lang genoeg om hun doelen te bereiken. De DNA-tetraëder lijkt het RNA te beschermen tegen snelle absorptie door de nieren en uitscheiding, wat meestal gebeurt met RNA dat op zichzelf wordt toegediend, zegt Anderson.

“Als je een kort interfererend RNA neemt en het in de bloedbaan injecteert, het is meestal binnen zes minuten verdwenen. Als je een groter nanodeeltje maakt met behulp van origami-methoden, het verhoogt het vermogen om uitscheiding via de nieren te voorkomen, waardoor de tijd die in het bloed circuleert, toeneemt”, zegt hij.

De onderzoekers toonden ook aan dat de nucleïnezuur-nanodeeltjes zich ophoopten op de tumorplaatsen. Het RNA dat door de deeltjes wordt afgeleverd, is ontworpen om een ​​gen voor luciferase te targeten, die aan de tumorcellen waren toegevoegd om ze te laten gloeien. Ze ontdekten dat bij behandelde muizen, luciferase-activiteit daalde met meer dan de helft.

Het team ontwerpt nu nanodeeltjes om zich te richten op genen die tumorgroei bevorderen, en werkt ook aan het afsluiten van genen die betrokken zijn bij andere genetische ziekten.

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health, het Center for Cancer Nanotechnology Excellence, Alnylam Pharmaceuticals en de National Research Foundation van Korea.

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.