Wetenschappers van de UCLA hebben een nieuwe methode ontwikkeld die gebruik maakt van microscopische splinterachtige structuren die "nanospears" worden genoemd voor de gerichte levering van biomoleculen zoals genen rechtstreeks aan patiëntencellen. Deze magnetisch geleide nanostructuren kunnen gentherapieën mogelijk maken die veiliger zijn, sneller en voordeliger.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano door senior auteur Paul Weiss, UC Presidential Chair en onderscheiden hoogleraar chemie en biochemie, materiaalkunde en techniek, en lid van het Eli en Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research aan de UCLA.

Gentherapie, het proces van het toevoegen of vervangen van ontbrekende of defecte genen in patiëntencellen, veelbelovend is gebleken als een behandeling voor een groot aantal ziekten, inclusief hemofilie, spierdystrofie, immuundeficiënties en bepaalde soorten kanker.

De huidige benaderingen van gentherapie zijn gebaseerd op gemodificeerde virussen, externe elektrische velden of agressieve chemicaliën om celmembranen binnen te dringen en genen rechtstreeks naar patiëntencellen af ​​te leveren. Elk van deze methoden heeft zijn eigen tekortkomingen; ze kunnen duur zijn, inefficiënt zijn of ongewenste stress en toxiciteit voor cellen veroorzaken.

Om deze barrières te overwinnen, Weiss en Dr. Steven Jonas, een klinische fellow in het UCLA Broad Stem Cell Research Center Training Program, leidde een onderzoeksteam dat nanospears ontwierp die zijn samengesteld uit silicium, nikkel en goud. Deze nanosperen zijn biologisch afbreekbaar, kan goedkoop en efficiënt in massa worden geproduceerd, en, vanwege hun oneindig kleine formaat - hun tips zijn ongeveer 5, 000 keer kleiner dan de diameter van een menselijke haarlok - ze kunnen genetische informatie leveren met een minimale impact op de levensvatbaarheid van de cellen en het metabolisme.

Jonas vergeleek de geavanceerde leveringsmethode voor biomoleculen met de leveringsmethodes uit de echte wereld die aan de horizon verschijnen.

"Net zoals we horen dat Amazon pakketten rechtstreeks bij je thuis wil bezorgen met drones, we werken aan een equivalent daarvan op nanoschaal om belangrijke gezondheidspakketten rechtstreeks naar uw cellen te brengen, " legde Jonas uit, die een opleiding volgt in de afdeling pediatrische hematologie/oncologie van het UCLA Mattel Children's Hospital. In de nabije toekomst, Jonas hoopt nanotechnologieën toe te passen om cel- en gentherapieën snel en breed in te zetten bij de pediatrische kankerpatiënten die hij behandelt.

De constructie van nanospears is geïnspireerd op het werk van hun medewerkers, Hsian-Rong Tseng, hoogleraar moleculaire en medische farmacologie, en Xiaobin Xu, een postdoctoraal onderzoeker in de interdisciplinaire onderzoeksgroep van Weiss. Tseng en Xu zijn beide co-auteurs van de studie.

"Op basis van het nanofabricagewerk van Xiaobin, we wisten hoe we nanostructuren van verschillende vormen in enorme aantallen konden maken met behulp van eenvoudige fabricagestrategieën, " zei Wies, die ook lid is van het California NanoSystems Institute. “Toen we dat eenmaal in handen hadden, we realiseerden ons dat we precieze structuren konden maken die van waarde zouden zijn in gentherapieën."

Weiss en Jonas zijn niet de eersten die bedenken om geleide nanostructuren of robotachtige "nanomotoren" te gebruiken om gentherapieën te verbeteren, bestaande methoden hebben echter een beperkte nauwkeurigheid en vereisen potentieel giftige chemicaliën om de structuren naar hun doelen te stuwen.

Door hun nanospearen te coaten met nikkel, Weiss en Jonas elimineerden de noodzaak voor chemische drijfgassen. Een magneet kan in de buurt van een laboratoriumschaal met cellen worden gehouden om de richting te manipuleren, positie en rotatie van een of meerdere nanospears. In de toekomst, Weiss en Jonas stellen zich voor dat een magnetisch veld buiten het menselijk lichaam kan worden toegepast om nanospears op afstand in het lichaam te leiden om genetische ziekten te behandelen.

Weiss en Jonas testten hun nanospears als vehikels voor een gen dat ervoor zorgt dat cellen een groen fluorescerend eiwit produceren. Ongeveer 80 procent van de beoogde cellen vertoonde een heldergroene gloed, en 90 procent van die cellen overleefde. Beide cijfers zijn een duidelijke verbetering ten opzichte van bestaande leveringsstrategieën.

Net als gentherapie, veel vormen van immunotherapie - een proces waarbij patiëntspecifieke immuuncellen genetisch worden gemanipuleerd om kankercellen te herkennen en aan te vallen - zijn afhankelijk van dure of tijdrovende verwerkingsmethoden.

"De grootste barrière op dit moment om ofwel een gentherapie of een immunotherapie aan patiënten te krijgen, is de verwerkingstijd, Jonas zei. "Nieuwe methoden om deze therapieën sneller te genereren, effectief en veilig de innovatie op dit onderzoeksgebied zullen versnellen en deze therapieën eerder bij patiënten zullen brengen, en dat is het doel dat we allemaal hebben."

Weiss en Jonas werken samen met UCLA-onderzoekers om de levering van gentherapiestrategieën te optimaliseren die al lang in de maak zijn.

"Een van de verbazingwekkende dingen van werken bij UCLA is dat voor elk van de beoogde ziekten, we werken samen met vooraanstaande clinici die al gentherapieën in ontwikkeling hebben, "Zei Weiss. "Ze hebben de lading voor het bewerken van genen, model cellen, diermodellen en patiëntencellen aanwezig, zodat we onze nanosystemen kunnen optimaliseren op methoden die op weg zijn naar de kliniek."