Een uitgebreid experiment waarbij de immuuneffecten van een brede groep in het laboratorium ontworpen nucleïnezuurnanodeeltjes werden getest, vond geen sterke, uniforme immuunrespons, zoals was voorspeld. In plaats daarvan, de tests vonden verschillende en specifieke reacties van verschillende immuuncellen, afhankelijk van de vorm en formulering van elk deeltje, een bevinding die verdere studie van het therapeutische gebruik van de deeltjes kan aanmoedigen.

In aanvulling, de onderzoekers geloven dat ze misschien een "hulpsysteem" hebben ontdekt voor het beheersen van de immuunrespons - een moleculair "alfabet" voor communicatie met het menselijke immuunsysteem.

De bevindingen werden onlangs gerapporteerd door Enping Hong, Ankit Sjah, en Marina Dobrovolskaia van het Frederick Laboratory for Cancer Research, Emil Khisamutdinov van Ball State University en Justin Halman en Kirill Afonin van de University of North Carolina in Charlotte in het tijdschrift Nano-letters .

Het idee bestaat al een tijdje dat geselecteerde segmenten van RNA of DNA therapeutisch kunnen worden gebruikt - therapeutische nucleïnezuren - om de gen- of celfunctie te beïnvloeden. Helaas, in klinische onderzoeken is gebleken dat de meeste van deze voorgestelde therapeutische moleculen een extreme bijwerking hebben - ze veroorzaakten een sterke, vaak dodelijke reactie van de immuuncellen van het menselijk lichaam.

Recenter, nanotechnologen hebben voorgesteld om zelfassemblerende nanodeeltjes te ontwerpen met de potentieel therapeutische RNA- of DNA-sequenties, het combineren van de effecten van verschillende sequenties in een gericht medicijn, meerdere effecten geven in een enkel deeltje, gevormd in verschillende designervormen - vierkanten, driehoeken, kubussen, en andere structuren. Deze potentieel krachtige therapeutische deeltjes zijn echter traag getest, omdat onderzoekers hebben getheoretiseerd dat ze waarschijnlijk dezelfde "immunotoxische" effecten zouden hebben als de natuurlijke nucleïnezuurfragmenten.

Echter, sommige nanowetenschappers vroegen zich af of de verwachte immuunreacties noodzakelijkerwijs het geval zouden zijn vanwege de complexiteit van de herkenning van het immuunsysteem en de unieke eigenschappen die worden gecreëerd door traditionele materialen samen te voegen tot nanodeeltjes van verschillende vormen en structuren.

"Zelfs als nucleïnezuur nanodeeltjes zijn samengesteld uit componenten met bekende immunologische toxiciteiten, als je ze eenmaal combineert en herformuleert, de nanoformulering wordt een heel ander beest, " zei Afonin, een van de corresponderende auteurs van het artikel.

"Onze bevindingen toonden aan dat, hoewel sommige voorspellingen juist waren, velen hadden het helemaal mis, " merkte Afonin op. "Je kunt de immunotoxiciteit van nucleïnezuurnanodeeltjes niet puur voorspellen door de reacties op natuurlijk geproduceerde DNA's en RNA's te analyseren. We kwamen met een aantal onverwachte resultaten."

Om de immunotoxiciteit van de deeltjes te testen en misschien aanwijzingen te vinden voor de mechanismen die betrokken zijn bij de reactie van immuuncellen, Afonin en zijn collega's selecteerden een "bibliotheek" van 25 verschillende DNA- of RNA-nucleïnezuurnanodeeltjes, ontworpen door onderzoekers in het veld, zorgvuldig uitgekozen om "alle mogelijke verbanden aan te pakken" tussen hun moleculaire eigenschappen en immuunreacties. De bibliotheek omvatte een representatieve steekproef van vlakke (platte), bolvormige en vezelige (snaarachtige) deeltjes, met verschillende groottes en molecuulgewichten, evenals verschillen in een verscheidenheid van kritische chemische eigenschappen. De deeltjes werden geïntroduceerd in immuuncellen (perifere mononucleaire cellen) uit het bloed van 60 unieke menselijke donoren en gecontroleerd op de productie van 29 verschillende cytokinen.

De details van de bevindingen waren onthullend met betrekking tot de immunotoxiciteit van de deeltjes omdat de immuunrespons varieerde. Maar de resultaten onthulden ook informatie over specifiek gedrag van verschillende immuuncellen.

Een fundamentele bevinding was dat "naakte" nucleïnezuur-nanodeeltjes (niet gehecht aan andere biologische moleculen) helemaal geen immuunrespons veroorzaakten, omdat, het team vond, in tegenstelling tot natuurlijk voorkomende fragmenten van DNA of RNA, de geconstrueerde deeltjes konden geen enkele immuuncel binnendringen zonder een soort "drager" -moleculen die hun toegang mogelijk maakten. Effectief, gewone nucleïnezuur nanodeeltjes zijn "onzichtbaar" voor het menselijke immuunsysteem.

Toen de deeltjes eenmaal waren gekoppeld aan een dragermolecule, echter, ze waren in staat om de cellen binnen te gaan, en lokte duidelijke reacties uit, zoals de onderzoekers hoopten. "De vraag is wanneer we dit deeltje de menselijke cel in sturen, wat doet de cel, vooral de immuuncel, doen?" vroeg Afonin zich af. "Ziet het een bepaalde vorm als een bedreiging?"

De resultaten laten zien dat de deeltjesgrootte, vorm, 3D-structuur (kubussen, bijvoorbeeld, vergeleken met vlakke vierkanten), DNA- of RNA-samenstelling, en de chemische aard van hoe de deeltjes werden geassembleerd ("connectiviteit") hadden allemaal onderscheidende effecten op de immuunrespons en op welke immuuncellen reageerden.

Een van de ontdekte details was de bevinding dat deeltjes bestaande uit DNA de neiging hadden om minder immuunrespons te veroorzaken dan die van RNA. RNA rings (flat structures) and RNA fibers caused less immune response than RNA cubes (globular structures). In further detail, DNA cubes induced the cytokine production of type I interferons alpha and omega, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, and eventually, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, bijvoorbeeld.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."