Nanotechnologie zou op een dag een geïnhaleerd voertuig kunnen bieden om gerichte therapeutische genen te leveren voor mensen die lijden aan levensbedreigende longaandoeningen. Onderzoekers hebben mogelijk het eerste genafgiftesysteem ontdekt dat efficiënt de moeilijk te doorbreken menselijke luchtwegmucusbarrière van longweefsel binnendringt.

Onderzoekers van de Johns Hopkins University School of Medicine, Johns Hopkins University Afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, en de Federale Universiteit van Rio de Janeiro in Brazilië hebben een met DNA geladen nanodeeltje ontworpen dat door de slijmbarrière kan gaan die de geleidende luchtwegen van longweefsel bedekt - wat het concept bewijst, ze zeggen, dat therapeutische genen op een dag rechtstreeks in de longen kunnen worden afgeleverd tot de niveaus die voldoende zijn om cystische fibrose (CF) te behandelen, chronische obstructieve longziekte, astma en andere levensbedreigende longziekten.

"Voor zover we weten, dit is het eerste biologisch afbreekbare genafgiftesysteem dat efficiënt de menselijke luchtwegmucusbarrière van longweefsel binnendringt, " zegt studie auteur Jung Soo Suk, doctoraat, een biomedisch ingenieur en faculteitslid bij het Center for Nanomedicine van het Wilmer Eye Institute in Johns Hopkins. Een verslag over het werk verscheen in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 29 juni.

De slijmbarrière beschermt vreemde materialen en bacteriën tegen het binnendringen en/of infecteren van de longen. In gezonde longen, ingeademde materie zit meestal vast in het slijm van de luchtwegen en wordt vervolgens van de longen weggevaagd via de kloppende activiteiten van trilhaartjes, of klein, haarachtige lokken, naar de maag om uiteindelijk te worden afgebroken. Helaas, Suk notities, dit essentiële beschermingsmechanisme voorkomt ook veel inhalatietherapieën, inclusief op genen gebaseerde geneeskunde, van het bereiken van hun doel.

De experimenten van zijn team met menselijk luchtwegslijm en kleine dieren, Suk voegt toe, werden ontworpen als een proof-of-concept-onderzoek dat aantoont dat het plaatsen van corrigerende of vervangende genen of medicijnen in een door de mens gemaakte biologisch afbreekbare nanodeeltjes "wrapper" die patiënten inademen, de slijmbarrière zou kunnen binnendringen en op een dag kunnen worden gebruikt om ernstige longaandoeningen te behandelen. Bovendien, omdat een enkele dosis theoretisch enkele maanden kan duren, patiënten zouden minder bijwerkingen ervaren die vaak voorkomen bij geneesmiddelen die gedurende lange tijd regelmatig moeten worden ingenomen.

Suk zegt dat hun werk met nanodeeltjes voortkwam uit mislukte pogingen om behandelingen te leveren aan mensen met longziekten. Bij patiënten met CF is bijvoorbeeld, ze ervaren een opeenhoping van overtollig slijm veroorzaakt door verminderde ciliaire kloppen, wat resulteert in een ideale voedingsbodem voor chronische bacteriële infecties en ontstekingen. Dit pathogene proces verslechtert niet alleen de kwaliteit van leven van patiënten - en brengt patiënten vaak in levensbedreigende situaties - maar het maakt het ook moeilijker om het luchtwegslijm te overwinnen door geïnhaleerde therapeutische nanodeeltjes.

De meeste van de bestaande medicijnen voor CF helpen bij het opruimen van infecties, maar lossen de onderliggende problemen van de ziekte niet op. Een paar recent goedgekeurde geneesmiddelen die zijn ontworpen om de onderliggende oorzaak van CF aan te pakken, vereisen een dagelijkse behandeling gedurende het hele leven en kunnen alleen ten goede komen aan een subpopulatie van patiënten met specifieke soorten mutaties. Maar deze studie, Suk notities, heeft aangetoond dat het leveren van normale kopieën van CF-gerelateerde genen of corrigerende genen via de slijmdoordringende DNA-beladen nanodeeltjes de productie van normale, "functionele" eiwitten op lange termijn. Dit zou uiteindelijk een effectieve therapie kunnen worden voor de longen van patiënten, ongeacht het type mutatie.

Daten, niemand heeft kunnen achterhalen hoe die genen efficiënt naar de longen kunnen worden gebracht, Suk zegt, opmerkend dat experimenten met gedeactiveerde virussen om ze over te dragen inefficiënt en duur zijn gebleken, en kan mogelijk leiden tot ernstige bijwerkingen. Bovendien, het lichaam zou resistentie kunnen ontwikkelen tegen deze op virussen gebaseerde toedieningssystemen, waardoor het leveringsmechanisme ter discussie wordt gesteld.

Alternatief, talrijke niet-virale, synthetische systemen zijn uitgebreid getest. Echter, eerder onderzoek had aangetoond dat de meeste niet-virale, DNA-geladen nanodeeltjes hebben een positieve lading waardoor ze zich hechten aan negatief geladen biologische omgevingen, in dit geval het slijm dat de luchtwegen van de longen bedekt. Met andere woorden, conventionele nanodeeltjes zijn te plakkerig om ongewenste interacties buiten het doel te vermijden tijdens hun reis naar de doelcellen. Verder, deze deeltjes hebben de neiging om snel te aggregeren in fysiologische omstandigheden, waardoor ze te groot worden om door het slijmvlies van de luchtwegen te dringen.

Voor zijn ontwerp, het team ontwikkelde een eenvoudige methode om de nanodeeltjes dicht te coaten met een niet-kleverig polymeer genaamd PEG, neutraliseerde de lading en creëerde een niet-plakkerige buitenkant. Ze toonden aan dat deze nanodeeltjes hun grootte behouden in een fysiologische omgeving en in staat zijn om snel menselijk luchtwegslijm te penetreren dat vers is verzameld van patiënten die het Johns Hopkins Adult Cystic Fibrosis Program onder leiding van Michael Boyle bezochten, een co-auteur van het artikel. Het team maakte ook het hele toedieningssysteem biologisch afbreekbaar, zodat het zich niet in het lichaam zou ophopen.

Om te testen of het systeem zorgt voor een efficiënte genoverdracht naar de longen van dieren, de onderzoekers verpakten ze met een gen dat lichtgenererende eiwitten maakt zodra ze in de doelcellen zijn afgeleverd. Ze toonden aan dat inhalatie van de genen via de slijmdoordringende nanodeeltjes resulteerde in een wijdverbreide productie van het eiwit tot niveaus die superieur zijn aan de gouden standaard, niet-virale platforms, inclusief een klinisch getest systeem. In aanvulling, ze toonden aan dat de behandelde longen na een enkele dosering tot vier maanden oplichtten.

"Met één dosis je kunt genexpressie krijgen, d.w.z. productie van therapeutische eiwitten - gedurende enkele maanden, "Suk zegt, eraan toevoegend dat de nanodeeltjes geen nadelige effecten leken te vertonen, zoals een verhoogde longontsteking.

Suk en zijn team waarschuwen dat er meer dierstudies nodig zijn om hun proof-of-concept-studie te bevestigen en te verfijnen, en dat de behandeling van menselijke aandoeningen met nanoverpakte therapieën nog jaren verwijderd is.