Onderzoekers van Johns Hopkins en Northwestern-universiteiten hebben ontdekt hoe ze de vorm van nanodeeltjes die DNA door het lichaam verplaatsen, kunnen controleren en hebben aangetoond dat de vormen van deze dragers een groot verschil kunnen maken in hoe goed ze werken bij de behandeling van kanker en andere ziekten.

Deze studie, wordt gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift op 12 oktober Geavanceerde materialen , is ook opmerkelijk omdat deze techniek van gentherapie geen virus gebruikt om DNA in cellen te dragen. Sommige inspanningen op het gebied van gentherapie die afhankelijk zijn van virussen, hebben gezondheidsrisico's met zich meegebracht.

"Deze nanodeeltjes zouden een veiliger en effectiever transportmiddel voor gentherapie kunnen worden, gericht op genetische ziekten, kanker en andere ziekten die kunnen worden behandeld met genmedicatie, " zei Hai-Quan Mao, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Whiting School of Engineering van Johns Hopkins.

Mao, co-corresponderende auteur van de Geavanceerde materialen artikel, ontwikkelt al tien jaar niet-virale nanodeeltjes voor gentherapie. Zijn aanpak omvat het comprimeren van gezonde stukjes DNA in beschermende polymeercoatings. De deeltjes zijn ontworpen om hun genetische lading pas af te geven nadat ze door de bloedbaan zijn gegaan en de doelcellen zijn binnengekomen. Binnen de cellen, het polymeer degradeert en laat DNA vrij. Door dit DNA als sjabloon te gebruiken, de cellen kunnen functionele eiwitten produceren die ziekten bestrijden.

Een belangrijke vooruitgang in dit werk is dat Mao en zijn collega's meldden dat ze in staat waren om deze deeltjes in drie vormen te "tunen", lijkende staven, wormen en bollen, die de vormen en afmetingen van virale deeltjes nabootsen. "We konden deze vormen in het lab observeren, maar we begrepen niet helemaal waarom ze deze vormen aannamen en hoe we het proces goed konden beheersen, " zei Mao. Deze vragen waren belangrijk omdat het DNA-afgiftesysteem dat hij voor ogen heeft mogelijk specifieke, uniforme vormen.

Om dit probleem op te lossen, Mao zocht ongeveer drie jaar geleden hulp bij collega's van Northwestern. Terwijl Mao in een traditioneel nat lab werkt, de noordwestelijke onderzoekers zijn experts in het uitvoeren van soortgelijke experimenten met krachtige computermodellen.

Erik Luijten, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en toegepaste wiskunde aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science en co-corresponderende auteur van het artikel, leidde de computationele analyse van de bevindingen om te bepalen waarom de nanodeeltjes zich in verschillende vormen vormden.

"Onze computersimulaties en theoretisch model hebben me een mechanisch inzicht gegeven, identificeren wat verantwoordelijk is voor deze vormverandering, Luijten:"We kunnen nu precies voorspellen hoe we de nanodeeltjescomponenten moeten kiezen als men een bepaalde vorm wil verkrijgen."

Door het gebruik van computermodellen kon het team van Luijten traditionele laboratoriumexperimenten in een veel sneller tempo nabootsen. Deze moleculair dynamische simulaties werden uitgevoerd op Quest, Het krachtige computersysteem van Northwestern. De berekeningen waren zo complex dat voor sommige ervan 96 computerprocessors nodig waren die een maand lang tegelijk werkten.

In hun krant de onderzoekers wilden ook het belang aantonen van deeltjesvormen bij het leveren van gentherapie. Teamleden voerden dierproeven uit, allemaal met dezelfde deeltjesmaterialen en hetzelfde DNA. Het enige verschil zat in de vorm van de deeltjes:staafjes, wormen en bollen.

"De wormvormige deeltjes resulteerden in 1, 600 keer meer genexpressie in de levercellen dan de andere vormen, " zei Mao. "Dit betekent dat het produceren van nanodeeltjes in deze specifieke vorm de efficiëntere manier zou kunnen zijn om gentherapie aan deze cellen te leveren."

De deeltjesvormen die in dit onderzoek worden gebruikt, worden gevormd door het DNA te verpakken met polymeren en deze bloot te stellen aan verschillende verdunningen van een organisch oplosmiddel. DNA's afkeer van het oplosmiddel, met behulp van het door het team ontworpen polymeer, zorgt ervoor dat de nanodeeltjes samentrekken in een bepaalde vorm met een "schild" rond het genetische materiaal om te voorkomen dat het wordt gewist door immuuncellen.