Op steroïden gebaseerde inhalatoren leveren levensreddende medicatie voor miljoenen astmapatiënten, biedt verlichting en het vermogen om gewoon te ademen. Helaas, inhalatoren werken niet voor alle patiënten, en met stijgende cijfers voor een ziekte die wereldwijd elk jaar tot honderdduizenden doden leidt, er zijn nieuwe astmabehandelingen en -strategieën nodig.

Een team van UConn-onderzoekers, waaronder assistent-professor scheikunde aan het College of Liberal Arts and Sciences Jessica Rouge en universitair hoofddocent Pathobiologie aan het College of Agriculture, Gezondheid, en Natural Resources Steven Szczepanek - werken samen om nieuwe astmatherapieën te ontwikkelen met behulp van gen-silencing nanocapsules om patiënten te helpen die geen baat hebben bij bestaande behandelingen. Hun onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano .

"Bij de behandeling van astma, veel mensen denken aan ontstekingsremmende medicijnen met kleine moleculen, maar er zijn genoeg patiënten met astma die niet reageren op corticosteroïden, " zegt Rouge. "Er is een onvervulde behoefte aan het creëren van verschillende therapieën die astma voor deze groep mensen kunnen onderdrukken."

De onderzoeksgroep van Rouge, inclusief co-auteurs Ph.D. student Shraddha Sawant en Alyssa Hartmann '20 Ph.D., ontwerpt nanomaterialen en gerichte therapieën die genuitschakelingsboodschappen aan cellen leveren. Dit artikel beschrijft een nucleïnezuur-nanocapsule (NAN) die is ontworpen om selectief een enzym af te geven, een dnazym genoemd, om een ​​onderdeel van de immuunrespons tot zwijgen te brengen, genaamd GATA-3, dat leidt tot overexpressie van immuuncomponenten die een belangrijke rol spelen bij allergische astma-aanvallen.

Szczepanek legt uit dat er verschillende soorten astma zijn, en deze technologie is speciaal ontworpen om allergisch astma te behandelen, wat ongeveer 50% van de gevallen uitmaakt bij volwassenen en 90% bij kinderen. Op GATA-3 gebaseerde behandelingen zijn al veelbelovend in klinische onderzoeken, en Rouge zegt dat door de sequentie te koppelen aan nanotechnologie, ze hopen een efficiëntere manier van levering en behandeling te bieden, rechtstreeks naar de bron van ontsteking.

"Bij het gebruik van nanomaterialen, we proberen de therapie zo toe te dienen dat we minder materialen kunnen gebruiken om een ​​groter effect te krijgen, ' zegt Rouge.

Hun systeem is gebaseerd op oppervlakteactieve stoffen die zich tot micellen vormen, vergelijkbaar met kleine bubbels, en gebeurt in een stapsgewijs proces, resulterend in elk ongeveer 60 nanometer groot.

"Eerst, we synthetiseren iets dat een oppervlakteactieve stof wordt genoemd, het lijkt veel op zeep en vormt in wezen een zeepbel op nanoschaal. Daarna passen we de oppervlaktechemie van deze bel aan zodat hij kan conjugeren of zich kan verbinden met DNA. De volgende stap, en wat uniek is aan ons lab, is dat we enzymen gebruiken om het volgende stuk te bouwen om de DNA-sequentie te bevestigen die in wezen mRNA klieft dat codeert voor GATA-3, ' zegt Rouge.

De nanocaspules werden vervolgens gekarakteriseerd en gecontroleerd of ze de nucleïnezuurdoelcellijnen in vitro konden splitsen en de resultaten waren veelbelovend.

"We toonden aan dat deze genuitschakelingssequenties effectief werden geleverd met behulp van onze formulering en we zagen dat ze het gendoelwit van belang omverwierpen. Dat was een opwindende eerste stap, ' zegt Rouge.

Rouge bracht de gegevens naar Szczepanek om te zien of zijn onderzoeksgroep, inclusief co-auteurs en afgestudeerde studenten Tyler Gavitt '21 Ph.D. en Arlind Mara '21 Ph.D., die respiratoire pathogenen en ziektepathologie bestuderen, zou geïnteresseerd zijn om samen te werken aan de volgende stappen van onderzoek om te zien hoe technologie in vivo heeft gepresteerd en of het van klinische relevantie kan zijn.

Nadat hij astma had bestudeerd als onderdeel van zijn postdoctoraal onderzoek, en met zijn lab uitgerust om de volgende stappen te zetten, Szczepanek zegt dat de samenwerking een natuurlijke match was.

"Ik dacht dat deze genuitschakelingstechnologie een fantastische toepassing was voor een astmatherapeuticum."

De onderzoekers testten de werkzaamheid van GATA-3 DNAzyme-NAN in een muismodel met allergische astma dat gevoelig is voor huisstofmijt. De resultaten toonden aan dat de longen van muizen die met de NAN's waren behandeld, minder ontstekingsschade hadden in vergelijking met de onbehandelde controlegroep. De behandeling verminderde ook de aanwezigheid van inflammatoire immuuncellen, eosinofielen genoemd, die bijdragen aan luchtwegobstructie (zie zijbalk).

"We zagen niet alleen een substantiële vermindering van astma-fenotypes in ons muismodel, maar we testten de GATA-3 DNAzyme-NAN's in menselijke witte bloedcellen en zagen zowel de opname van de nanodeeltjes als de uitschakeling van de expressie van het gen van belang. Deze combinatie van gegevens maakt me echt hoopvol over het translationele potentieel van de nanodeeltjes voor de menselijke gezondheid, ", zegt Szczepanek.

Rouge wijst op een ander belangrijk detail:"Over het algemeen gesproken wanneer we nanodeeltjes in onze longen stoppen, je zou kunnen denken dat ze een ontsteking kunnen veroorzaken. Echter, we waren erg enthousiast dat bij de doses die we gebruikten, de nanodrager alleen veroorzaakte geen ontsteking."

"Ik geloof dat ons unieke nanoconstruct een grote belofte inhoudt op het gebied van de levering van oligonucleotiden, " zegt Sawant. "Ik ben blij om deel uit te maken van dit gezamenlijke onderzoek, aangezien het het begin markeert van de ontwikkeling van de NAN als een effectieve in vivo nanodrager."

Rouge zegt dat de volgende stap is om hopelijk NIH-financiering te krijgen om het onderzoek voort te zetten:"We willen uitzoeken, Waar gaan deze nanocapsules naartoe? We moeten een biodistributiestudie doen en andere logische vervolgstappen, zoals farmacokinetiek en bepalen hoe lang deze therapieën duren in een organisme."

De onderzoekers kregen onlangs een patent voor de nanocapsuleformulering, en ze hopen het te commercialiseren. Szczepanek legt uit dat het team zich dat voorstelt, eventueel, de technologie kan via een inhalator aan de patiënt worden geleverd, zoals de huidige astmamedicatie is en, afhankelijk van hoe het precies is geformuleerd, dat het een actieve ontsteking zou kunnen aanpakken of als een profylactische maatregel zou kunnen werken. Rouge voegt eraan toe dat deze technologie het potentieel heeft om aanpasbaar te zijn.

"Het belangrijkste thema is dat verschillende mensen anders reageren op ziekten in het algemeen, dus er is potentieel voor gepersonaliseerde geneeskunde. We kijken naar een paradigmaverschuiving, want als je de genetica van iemand kent in termen van de intensiteit of overexpressie van een bepaald gen of als het opgereguleerd is, we zouden het kunnen behandelen of op zijn minst deprimeren."

Wat veroorzaakt een astma-aanval?

Szczepanek legt uit dat allergische astma ontstaat wanneer het immuunsysteem gevoelig wordt voor iets alomtegenwoordigs en over het algemeen onschadelijk in het milieu, zoals huisstofmijten.

"Sensitisatie duwt de geheugencomponent van onze T-cellen in wat een Th2-fenotype wordt genoemd. T-cellen maken deel uit van ons adaptieve immuunsysteem dat eerdere blootstelling aan een stimulus 'onthoudt' waartegen we een immuunrespons moesten opbouwen. Meestal zijn dit bacteriën en virussen, wat een goede zaak is, omdat we ziekteverwekkers zoals de griep willen onthouden, bijvoorbeeld. Maar het is niet goed als je een immuunrespons opbouwt tegen stof dat de hele tijd in de lucht hangt, omdat het tot behoorlijk ernstige bijwerkingen kan leiden."

Uitkomsten en ernst variëren van persoon tot persoon, zegt Szczepanek.

"We zien ontstekingen van de luchtwegen als gevolg van meer immuuncellen die hun weg vinden naar de luchtruimten, en dat maakt de luchtwegen kleiner. Die cellen activeren slijmbekercellen in de luchtwegen, dat zijn cellen die slijm produceren en wanneer u deze slijmbekercellen hyperactiveert, je krijgt tonnen slijm in de luchtwegen die al ontstoken zijn en daarom vernauwend. Dat zorgt voor steeds meer problemen en vermindert het vermogen van een astmapatiënt om te ademen tijdens een astma-aanval. En dan als laatste, u krijgt ook bronchoconstrictie, wat gebeurt wanneer de laag glad spierweefsel rond de bronchiolen van de longen samentrekt. Het is een groot probleem voor de volksgezondheid, omdat een zeer groot deel van de bevolking vatbaar is voor het ontwikkelen van astma."