Therapeutica op basis van messenger-RNA, of mRNA, kunnen potentieel een breed scala aan ziekten behandelen, waaronder kanker, genetische ziekten en, zoals de wereld de afgelopen jaren heeft geleerd, dodelijke virussen.

Om te werken, moeten deze medicijnen rechtstreeks aan de doelcellen worden afgeleverd in bubbels van vet op nanoschaal die lipidenanodeeltjes of LNP's worden genoemd - mRNA is niet veel goeds als het niet het juiste celtype bereikt.

Een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en de Emory University's School of Medicine heeft een nieuwe stap gezet in de richting van het verbeteren van de ontwikkeling van deze op maat gemaakte leveringsvoertuigen, en rapporteert hun werk op 30 juni in Nature Nanotechnology . Curtis Dobrowolski en Kalina Paunovska, stagiaires in het lab van James Dahlman, hebben een systeem ontwikkeld om preklinische nanodeeltjesstudies voorspellender te maken. Hun ontdekkingen beïnvloeden nu al de richting van het onderzoek in dit groeiende, competitieve veld.

"Ik ben erg enthousiast over deze studie en verwacht dat we de meeste van onze toekomstige projecten naar deze methodologie zullen verschuiven", zegt Dahlman, universitair hoofddocent en McCamish Foundation Early Career Professor in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering bij Georgia Tech en Emory.

Opeenvolging van gebeurtenissen

De afgelopen jaren heeft Dahlman samengewerkt met Coulter BME-professor Philip Santangelo in een druk onderzoeksbedrijf. Het laboratorium van Santangelo ontwikkelt mRNA-therapieën en het laboratorium van Dahlman levert het met behulp van LNP's.

Om het proces van het testen van de effectiviteit van hun LNP's te versnellen, heeft het team van Dahlman een techniek ontwikkeld die DNA-barcoding wordt genoemd. In dit proces voegen onderzoekers een stukje DNA in dat overeenkomt met een bepaalde LNP. De LNP's worden vervolgens geïnjecteerd en cellen worden vervolgens onderzocht op de aanwezigheid van de "barcodes" met behulp van genetische sequencing. Het systeem identificeert welke streepjescodes welke specifieke doelen hebben bereikt en benadrukt de meest veelbelovende nanodeeltjes. Omdat veel DNA-sequenties tegelijk kunnen worden gelezen, maakt het barcoderingsproces het mogelijk om veel experimenten tegelijkertijd uit te voeren, waardoor de ontdekking van effectieve dragers van lipidenanodeeltjes wordt versneld.

DNA-barcodering heeft het preklinische screeningproces van nanodeeltjes aanzienlijk verbeterd. Maar er is nog steeds een belangrijke barrière die de toediening van medicijnen beïnvloedt. Vanwege hun diversiteit zijn cellen een soort bewegende doelen. Dahlman merkte op dat cellen die eerder als homogeen werden beschouwd, zijn samengesteld uit verschillende en gevarieerde celsubsets. Zijn team vermoedde dat deze chemische en genetische heterogeniteit een krachtige invloed heeft op hoe goed LNP's mRNA-therapieën in de cellen kunnen afleveren.

"Cellen hebben niet slechts één eiwit dat ze definieert - ze zijn gecompliceerd," zei Dahlman. "Ze kunnen worden gedefinieerd door een combinatie van dingen, en als we eerlijk zijn, kunnen ze het beste worden gedefinieerd met behulp van alle genen die ze wel of niet tot expressie brengen."

Om hun hypothese te testen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe tool om al deze dingen tegelijk te meten. Hun multiomic nanodeeltjesafgiftesysteem wordt single-cell nanoparticle targeting-sequencing of SENT-seq genoemd.

Multiomics-aanpak

Met behulp van SENT-seq konden de onderzoekers kwantificeren hoe LNP's DNA-barcodes en mRNA in cellen afleveren, de daaropvolgende eiwitproductie mogelijk gemaakt door het mRNA-medicijn, evenals de identiteit van de cel, in duizenden individuele cellen.

Deze multiomics-aanpak zou een belangrijke sprong voorwaarts kunnen betekenen voor LNP-ontdekking met hoge doorvoer. Dankzij de SENT-seq-techniek kon het team celsubtypes identificeren die een bijzonder hoge of lage opname van nanodeeltjes vertonen, en de genen die bij die subtypes horen.

Dus, naast het testen van de werkzaamheid van een medicijn en hoe bepaalde celsubtypes reageren op nanodeeltjes, identificeren ze welke genen betrokken zijn bij de succesvolle opname van LNP's. En ze doen het allemaal tegelijk.

"The data suggests that these different cell subsets have distinct responses to nanoparticles that influence how well an mRNA therapy works," Dahlman said. "There's still a lot of work to be done, but we think the ability to simultaneously read out high-throughput nanoparticle delivery and the cellular response to nanoparticles will lead to better mRNA therapies."

Co-lead author Paunovska said that she and Dobrowolski came up with the idea for the SENT-seq system, "organically, after two months of working together."

Dahlman added:"I'm proud of the work that Curtis, Kalina, and the team did in the lab. I think this is the beginning of an extremely interesting phase in our work." + Explore further

New system speeds screening of drug-delivering nanoparticles