Nieuwe tools voor het bewerken van genetische code bieden hoop op nieuwe behandelingen voor erfelijke ziekten, sommige vormen van kanker, en zelfs hardnekkige virale infecties. Maar de typische methode voor het afleveren van gentherapieën aan specifieke weefsels in het lichaam kan gecompliceerd zijn en verontrustende bijwerkingen veroorzaken.

Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben veel van die problemen aangepakt door een nuttige lading voor het bewerken van genen in een klein, aanpasbaar, synthetische nanocapsule. Ze beschreven het bezorgsysteem en de lading vandaag (9 september) 2019) in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Om een ​​gen in een cel te bewerken, de bewerkingstool moet veilig en efficiënt in de cel worden afgeleverd, " zegt Shaoqin "Sarah" Gong, een professor in biomedische technologie en onderzoeker aan het Wisconsin Institute for Discovery in UW-Madison. Haar lab is gespecialiseerd in het ontwerpen en bouwen van toedieningssystemen op nanoschaal voor gerichte therapie.

"Het bewerken van het verkeerde weefsel in het lichaam na het injecteren van gentherapieën is een grote zorg, " zegt Krishanu Saha, ook een UW-Madison hoogleraar biomedische technologie en co-voorzitter van een stuurgroep voor een landelijk consortium op het gebied van genoombewerking met $ 190 miljoen ter ondersteuning van de National Institutes of Health. "Als voortplantingsorganen per ongeluk worden bewerkt, dan zou de patiënt de genbewerkingen doorgeven aan hun kinderen en elke volgende generatie."

De meeste genoombewerking wordt gedaan met virale vectoren, volgens Gong. Virussen hebben miljarden jaren ervaring met het binnendringen van cellen en het coöpteren van de eigen machinerie van de cel om nieuwe kopieën van het virus te maken. Bij gentherapie is virussen kunnen worden gewijzigd om machines voor het bewerken van het genoom te dragen in plaats van hun eigen virale genen in cellen. De bewerkingsmachines kunnen dan het DNA van de cel veranderen in, zeggen, corrigeer een probleem in de genetische code dat ziekte veroorzaakt of ertoe bijdraagt.

"Virale vectoren zijn aantrekkelijk omdat ze zeer efficiënt kunnen zijn, maar ze worden ook in verband gebracht met een aantal veiligheidsproblemen, waaronder ongewenste immuunreacties, "zegt Gong.

Nieuwe celdoelen kunnen ook moeizame wijzigingen van virale vectoren vereisen, en het vervaardigen van op maat gemaakte virale vectoren kan ingewikkeld zijn.

"Het is erg moeilijk - zo niet onmogelijk - om veel virale vectoren aan te passen voor levering aan een specifieke cel of weefsel in het lichaam, "zegt Saha.

Gong's lab heeft een lading gentherapie gecoat - namelijk, een versie van de tool voor het bewerken van genen CRISPR-Cas9 met gids-RNA ontworpen in Saha's lab - met een dunne polymeeromhulling, wat resulteert in een capsule met een diameter van ongeveer 25 nanometer. Het oppervlak van de nanocapsule kan worden versierd met functionele groepen zoals peptiden die de nanodeeltjes het vermogen geven om bepaalde celtypen aan te vallen.

De nanocapsule blijft intact buiten de cellen - in de bloedbaan, bijvoorbeeld - alleen om uit elkaar te vallen in de doelcel wanneer getriggerd door een molecuul genaamd glutathion. De vrijgekomen lading gaat vervolgens naar de kern om het DNA van de cel te bewerken. De nanocapsules zullen naar verwachting ongeplande genetische bewerkingen verminderen vanwege hun korte levensduur in het cytoplasma van een cel.

Dit project is een samenwerking die UW-Madison-expertise in chemie combineert, Engineering, biologie en geneeskunde. Professor pediatrie en oogheelkunde Bikash R. Pattnaik en professor vergelijkende biowetenschappen Masatoshi Suzuki en hun teams werkten aan het demonstreren van genbewerking in muisogen en skeletspieren, respectievelijk, met behulp van de nanocapsules.

Omdat de nanocapsules gevriesdroogd kunnen worden, ze kunnen gemakkelijk worden gezuiverd, opgeslagen, en vervoerd als een poeder, terwijl het flexibiliteit biedt voor doseringscontrole. De onderzoekers, met de Wisconsin Alumni Research Foundation, hebben een patent aangevraagd op de nanodeeltjes.

"Het kleine formaat, superieure stabiliteit, veelzijdigheid in oppervlaktemodificatie, en hoge bewerkingsefficiëntie van de nanocapsules maken ze een veelbelovend platform voor vele soorten gentherapieën, "zegt Gong.

Het team wil de nanocapsules verder optimaliseren in lopend onderzoek voor efficiënte bewerking in de hersenen en het oog.