Met behulp van kleine stukjes DNA als "barcodes, Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het snel screenen van het vermogen van nanodeeltjes om selectief therapeutische genen af ​​te leveren aan specifieke organen van het lichaam. De techniek zou de ontwikkeling en het gebruik van gentherapieën voor moordenaars als hartaandoeningen kunnen versnellen, kanker en de ziekte van Parkinson.

Genetische therapieën, zoals die gemaakt van DNA of RNA, zijn moeilijk af te leveren in de juiste cellen in het lichaam. De afgelopen 20 jaar, wetenschappers hebben nanodeeltjes ontwikkeld die zijn gemaakt van een breed scala aan materialen en hebben verbindingen zoals cholesterol toegevoegd om deze therapeutische middelen in cellen te helpen transporteren. Maar de snelle ontwikkeling van nanodeeltjesdragers is op een groot knelpunt gestuit:de nanodeeltjes moeten worden getest, eerst in celcultuur, voordat een zeer klein aantal nanodeeltjes op dieren wordt getest. Met miljoenen mogelijke combinaties, het identificeren van het optimale nanodeeltje om elk orgaan te targeten was zeer inefficiënt.

Met behulp van DNA-strengen van slechts 58 nucleotiden lang, onderzoekers van de Universiteit van Florida, Het Georgia Institute of Technology en het Massachusetts Institute of Technology hebben een nieuwe testtechniek ontwikkeld die het testen van celculturen helemaal overslaat - en waarmee honderden verschillende soorten nanodeeltjes tegelijkertijd in slechts een handvol dieren kunnen worden getest.

Het oorspronkelijke onderzoek werd gedaan in de laboratoria van Robert Langer, de David H. Koch Instituut Professor, en Daniël Anderson, de Samuel A. Goldsmith hoogleraar Toegepaste Biologie, bij MIT. Ondersteund door de National Institutes of Health, het onderzoek werd op 6 februari gerapporteerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"We willen op een zeer hoog niveau begrijpen welke factoren die de levering van nanodeeltjes beïnvloeden, belangrijk zijn, " zei James Dahlman, een assistent-professor in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University, een van Langers voormalige afgestudeerde studenten, hoofdauteur van het onderzoek, en een van de corresponderende auteurs van het artikel. "Deze nieuwe techniek stelt ons niet alleen in staat om te begrijpen welke factoren belangrijk zijn, maar ook hoe ziektefactoren het proces beïnvloeden."

Om nanodeeltjes voor te bereiden op testen, de onderzoekers voegen een stukje DNA toe dat aan elk type nanodeeltje is toegewezen. De nanodeeltjes worden vervolgens in muizen geïnjecteerd, wiens organen vervolgens worden onderzocht op de aanwezigheid van de streepjescodes. Door dezelfde technologieën te gebruiken die wetenschappers gebruiken om het genoom te sequensen, veel nanodeeltjes kunnen tegelijkertijd worden getest, elk geïdentificeerd door zijn unieke DNA-barcode.

Onderzoekers zijn niet alleen geïnteresseerd in welke nanodeeltjes de therapieën het meest effectief leveren, maar ook die ze selectief kunnen afleveren aan specifieke organen. Therapeutica gericht op tumoren, bijvoorbeeld, mag alleen aan de tumor worden toegediend en niet aan de omliggende weefsels. Therapeutica voor hartaandoeningen moeten zich ook selectief in het hart ophopen.

Hoewel een groot deel van het onderzoek was gewijd aan het aantonen van controlestrategieën, de onderzoekers testten wel hoe 30 verschillende deeltjes werden verdeeld in acht verschillende weefsels van een diermodel. Deze 'heatmap' gericht op nanodeeltjes toonde aan dat sommige deeltjes helemaal niet werden opgenomen, terwijl anderen meerdere organen binnengingen. De testen omvatten nanodeeltjes waarvan eerder is aangetoond dat ze selectiviteit de longen en lever binnendringen, en de resultaten van de nieuwe techniek kwamen overeen met wat al bekend was over die nanodeeltjes.

De enkelstrengs DNA-barcodesequenties zijn ongeveer even groot als antisense-oligonucleotiden, microRNA en siRNA worden ontwikkeld voor mogelijke therapeutische toepassingen. Andere op genen gebaseerde therapieën zijn groter, en er zou aanvullend onderzoek nodig zijn om te bepalen of de techniek ermee zou kunnen worden gebruikt. In het onderzoek dat deze week werd gerapporteerd, de nanodeeltjes werden niet gebruikt om actieve therapieën af te leveren, hoewel dat een volgende stap op korte termijn zou zijn.

"Bij toekomstige werkzaamheden we hopen duizend deeltjes te maken en in plaats van ze drie tegelijk te evalueren, we hopen er een paar honderd tegelijk te testen, Dahlman zei. "Nanodeeltjes kunnen erg ingewikkeld zijn omdat voor elk beschikbaar biomateriaal, je zou honderden nanodeeltjes van verschillende groottes en met verschillende toegevoegde componenten kunnen maken."

Zodra veelbelovende nanodeeltjes zijn geïdentificeerd met de screening, ze zouden worden onderworpen aan aanvullende tests om hun vermogen om therapieën te leveren te verifiëren. Naast het versnellen van de screening, voor de nieuwe techniek zijn mogelijk minder dieren nodig - misschien niet meer dan drie voor elke geteste set nanodeeltjes.

Er zijn een paar kanttekeningen bij de techniek. Om te voorkomen dat nanodeeltjes samensmelten, alleen structuren die stabiel zijn in waterige omgevingen kunnen worden getest. Alleen niet-toxische nanodeeltjes kunnen worden gescreend, en onderzoekers moeten controleren op mogelijke ontstekingen die worden gegenereerd door het ingevoegde DNA.

In het laboratorium van Langer en Anderson, Dahlman werkte samen met Kevin Kauffman, die aan het MIT blijft, en Erik Wang, nu een assistent-professor aan de Universiteit van Florida. Andere co-auteurs van het artikel waren Yiping Xing, Taylor Shaw, Faryal Mir en Chloe Dlott, die allemaal bij MIT zijn.

"Nucleïnezuurtherapieën zijn veelbelovend voor de behandeling van een reeks ernstige ziekten, " zei Dahlman. "We hopen dat deze techniek op grote schaal in het veld zal worden gebruikt, en dat het uiteindelijk meer duidelijkheid zal brengen over hoe deze medicijnen cellen beïnvloeden - en hoe we ze op de juiste locaties in het lichaam kunnen krijgen."