Veel wetenschappers zoeken naar manieren om ziekten te behandelen door DNA of RNA af te leveren dat een gen aan of uit kan zetten. Echter, een belangrijk obstakel voor vooruitgang op dit gebied is het vinden van manieren om dat genetische materiaal veilig naar de juiste cellen te brengen.

Het inkapselen van strengen RNA of DNA in kleine deeltjes is een veelbelovende benadering. Om de ontwikkeling van dergelijke voertuigen voor medicijnafgifte te helpen versnellen, een team van onderzoekers van MIT, Georgië Tech, en de Universiteit van Florida heeft nu een manier bedacht om verschillende nanodeeltjes snel te testen om te zien waar ze in het lichaam terechtkomen.

"Het toedienen van medicijnen is een echt substantiële hindernis die moet worden overwonnen, " zegt James Dahlman, een voormalige MIT-afgestudeerde student die nu een assistent-professor is bij Georgia Tech en de hoofdauteur van de studie. "Ongeacht hun biologische werkingsmechanismen, alle genetische therapieën hebben een veilige en specifieke medicijnafgifte nodig naar het weefsel dat u wilt targeten."

Deze aanpak, beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences de week van 6 februari, zou wetenschappers kunnen helpen om genetische therapieën op precieze locaties in het lichaam te richten.

"Het kan worden gebruikt om een ​​nanodeeltje te identificeren dat naar een bepaalde plaats gaat, en met die informatie zouden we het nanodeeltje kunnen ontwikkelen met een specifieke lading in gedachten, " zegt Daniël Anderson, een universitair hoofddocent bij het MIT's Department of Chemical Engineering en een lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research en het Institute for Medical Engineering and Science (IMES) van MIT.

Senior auteurs van het papier zijn Anderson; Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het MIT en een lid van het Koch Institute; en Erik Wang, een professor aan de Universiteit van Florida. Andere auteurs zijn promovendus Kevin Kauffman, recente MIT-afgestudeerden Yiping Xing en Chloe Dlott, MIT-student Taylor Shaw, en Koch Institute technisch assistent Faryal Mir.

Ziekte als doelwit

Het vinden van een betrouwbare manier om DNA aan doelcellen te leveren, zou wetenschappers kunnen helpen het potentieel van gentherapie te realiseren - een methode voor de behandeling van ziekten zoals cystische fibrose of hemofilie door nieuwe genen te leveren die ontbrekende of defecte versies vervangen. Een andere veelbelovende benadering voor nieuwe therapieën is RNA-interferentie, die kan worden gebruikt om overactieve genen uit te schakelen door ze te blokkeren met korte strengen RNA die bekend staan ​​als siRNA.

Het afleveren van dit soort genetisch materiaal in lichaamscellen is moeilijk gebleken, echter, omdat het lichaam veel afweermechanismen heeft ontwikkeld tegen vreemd genetisch materiaal zoals virussen.

Om deze verdediging te helpen ontwijken, Anderson's lab heeft nanodeeltjes ontwikkeld, waaronder veel gemaakt van vetmoleculen die lipiden worden genoemd, die genetisch materiaal beschermen en naar een bepaalde bestemming brengen. Veel van deze deeltjes hopen zich op in de lever, gedeeltelijk omdat de lever verantwoordelijk is voor het filteren van bloed, maar het was moeilijker om deeltjes te vinden die zich op andere organen richten.

"We zijn goed geworden in het afleveren van nanodeeltjes in bepaalde weefsels, maar niet allemaal, " Zegt Anderson. "We hebben ook niet echt ontdekt hoe de chemie van de deeltjes de targeting naar verschillende bestemmingen beïnvloedt."

Om veelbelovende kandidaten te identificeren, Anderson's lab genereert bibliotheken van duizenden deeltjes, door kenmerken te variëren, zoals hun grootte en chemische samenstelling. Onderzoekers testen de deeltjes vervolgens door ze op een bepaald celtype te plaatsen, gekweekt in een laboratoriumschaal, om te zien of de deeltjes in de cellen kunnen komen. De beste kandidaten worden vervolgens op dieren getest. Echter, dit is een langzaam proces en beperkt het aantal deeltjes dat kan worden geprobeerd.

"Het probleem dat we hebben is dat we veel meer nanodeeltjes kunnen maken dan we kunnen testen, ' zegt Anderson.

Om die hindernis te overwinnen, besloten de onderzoekers om "barcodes, " bestaande uit een DNA-sequentie van ongeveer 60 nucleotiden, voor elk type deeltje. Na het injecteren van de deeltjes in een dier, de onderzoekers kunnen de DNA-barcodes uit verschillende weefsels halen en vervolgens de barcodes rangschikken om te zien welke deeltjes waar zijn terechtgekomen.

"Het stelt ons in staat om veel verschillende nanodeeltjes tegelijk in een enkel dier te testen, ' zegt Dahlman.

Deeltjes volgen

De onderzoekers testten eerst deeltjes waarvan eerder was aangetoond dat ze zich richten op de longen en de lever, en bevestigde dat ze gingen waar verwacht.

Vervolgens, de onderzoekers screenden 30 verschillende lipidenanodeeltjes die varieerden in één belangrijk kenmerk:de structuur van een component die bekend staat als polyethyleenglycol (PEG), een polymeer dat vaak aan geneesmiddelen wordt toegevoegd om hun levensduur in de bloedbaan te verlengen. Lipidenanodeeltjes kunnen ook variëren in grootte en andere aspecten van hun chemische samenstelling.

Elk van de deeltjes was ook gelabeld met een van de 30 DNA-barcodes. Door barcodes te sequencen die in verschillende delen van het lichaam terechtkwamen, de onderzoekers konden deeltjes identificeren die op het hart waren gericht, brein, baarmoeder, spier, nier, en alvleesklier, naast lever en longen. In toekomstige studies, ze zijn van plan te onderzoeken waardoor verschillende deeltjes op verschillende weefsels terechtkomen.

De onderzoekers voerden ook verdere tests uit op een van de deeltjes, die zich richt op de lever, en ontdekte dat het met succes siRNA kon leveren dat het gen voor een bloedstollingsfactor uitschakelt.

Victor Kotelianski, directeur van het Skoltech Center for Functional Genomics, beschreef de techniek als een "innovatieve" manier om het proces te versnellen van het identificeren van veelbelovende nanodeeltjes om RNA en DNA af te leveren.

"Het vinden van een goed deeltje is een zeer zeldzame gebeurtenis, dus je moet veel deeltjes screenen. Deze benadering is sneller en kan u een dieper begrip geven van waar deeltjes in het lichaam naartoe gaan, " zegt Kotelianksy, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Dit type scherm zou ook kunnen worden gebruikt om andere soorten nanodeeltjes te testen, zoals die gemaakt van polymeren. "We hopen echt dat andere laboratoria in het hele land en over de hele wereld ons systeem zullen proberen om te zien of het voor hen werkt, ' zegt Dahlman.

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.