Vaccins en therapieën op basis van messenger-RNA zouden gemakkelijker kunnen worden toegediend dankzij een niet-giftig polymeer dat RNA beschermt en de afgifte ervan in de cellen regelt.

De komst van vaccins die messenger RNA (mRNA) gebruiken om de immunogene eiwitsynthese te sturen, vooral bekend in vaccins tegen COVID-19, stimuleert onderzoekers om betere manieren te vinden om het mRNA stabiel te houden en effectief af te leveren.

Een team van de Universiteit van Tokio, met medewerkers in Japan en China, heeft nu polymeren ontwikkeld die kunnen interageren met mRNA, deze kunnen stabiliseren en omhullen, waardoor zeer effectieve toediening in gekweekte menselijke cellen en cellen van levende muizen mogelijk is. Ze hebben hun werk gepubliceerd in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials .

"Naast vaccins voor infectieziekten biedt mRNA veelbelovende mogelijkheden voor ongekende behandelingen zoals eiwitvervangingstherapieën, genbewerking en immuuntherapieën", zegt Horacio Cabral van het team van de Universiteit van Tokio. "Maar om het volledige potentieel van deze geavanceerde therapieën te ontsluiten, is de ontwikkeling van veilige en effectieve dragersystemen van cruciaal belang."

De onderzoekers onderzochten manieren om de structuur van hun polymeermoleculen te verfijnen, zodat ze kunnen interageren met mRNA om het te beschermen. De biocompatibele en niet-giftige polymeren waren van het type dat blokcopolymeren wordt genoemd en zijn opgebouwd uit afwisselende segmenten van verschillende chemische groepen, in dit geval polyethyleenglycol en polyglycerol.

Maar de sleutel tot het bereiken van de juiste interactie met mRNA was het hechten van specifieke positief geladen aminozuurgroepen aan de lange polymeerskelet. De positieve lading trekt het polymeer over het algemeen aan naar negatief geladen RNA, en de gekozen aminozuren konden ook interageren met delen van het mRNA in een proces dat pi – pi (π – π) stapelen wordt genoemd. Dit omvat interacties tussen elektronen in een kenmerk dat pi-bindingen wordt genoemd in cyclische moleculaire ringen die naast elkaar zijn gestapeld in de op elkaar inwerkende moleculen.

"Dit is een zeer aanpasbare aanpak, waardoor de interacties van ons polymeer met mRNA kunnen worden verfijnd", zegt Cabral. Als gevolg hiervan werd het mRNA zeer effectief gestabiliseerd, waardoor een groot nadeel van instabiliteit werd overwonnen dat bij alternatieve benaderingen werd aangetroffen.

Het polymeer en het mRNA assembleerden zich spontaan tot bolvormige bundels (micellen) die de mRNA-lading effectief afleverden in gekweekte cellen en ook in muizencellen na intramusculaire injectie. Het mRNA werd gemakkelijk in de cellen vrijgegeven om de eiwitten waarvoor het codeerde te genereren, met een hoge efficiëntie, en voor een aanzienlijk langere tijd dan bij alternatieve benaderingen.

"Dit werk was zeer uitdagend vanwege de delicate aard van mRNA, een zeer kwetsbaar molecuul dat bescherming nodig heeft buiten de doelcellen, maar eenmaal binnen onmiddellijk wordt blootgesteld aan de celmachinerie", zegt Cabral. Hij voegt eraan toe:"Ons succes is opwindend vanwege het potentieel ervan om mRNA-toedieningstechnologieën te transformeren, waardoor nauwkeurige engineering en innovatieve vrijgavestrategieën mogelijk worden en het overwinnen van kritische barrières om de stabiliteit en werkzaamheid van op mRNA gebaseerde therapieën te verbeteren."

Meer informatie: Wenqian Yang et al., Blokkationomeren met flankerende hydrolyseerbare tyrosinaatgroepen verbeteren de in vivo mRNA-afgifte via π–π stapel-geassisteerde micellaire assemblage, Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2170164

Journaalinformatie: Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen