Een nieuwe technologie, mede ontwikkeld bij EMBL Hamburg, biedt nieuwe inzichten in mRNA-farmaceutica en andere nanogeneesmiddelen, die nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe producten

Messenger RNA (mRNA) nanogeneesmiddelen, een baanbrekende technologie die heeft geleid tot de ontwikkeling van het eerste goedgekeurde COVID-19-vaccin, werd onlangs erkend door de Nobelprijs voor de Geneeskunde of Fysiologie. Maar het potentieel van mRNA voor farmaceutische toepassing zal naar verwachting veel verder reiken dan dit:het zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de behandeling en preventie van ziekten, zoals virale en bacteriële infecties, kanker, hart- en vaatziekten en ontstekings- en auto-immuunziekten. Het zou ook het grote veld van interventies door therapeutische eiwitten kunnen transformeren.

Veel nieuwe mRNA-nanomedicijnen, die zich momenteel in verschillende ontwikkelingsstadia bevinden, kunnen in de toekomst beschikbaar komen. Eén vereiste voor alle toepassingen van mRNA in farmaceutische producten is dat ze moeten worden geformuleerd in geschikte toedieningssystemen, elk ontworpen voor verschillende functies en geoptimaliseerd voor therapeutische productbehoeften op basis van de beoogde toepassing en toedieningsroute.

Op lipiden gebaseerde nanodeeltjes zijn kleine druppeltjes vetachtige moleculen die dienen als beschermende verpakking voor het mRNA. Hun eigenschappen zijn afhankelijk van de samenstelling, structuur, productieprotocol en andere omstandigheden.

Een belangrijk aspect van nanodeeltjes is hun grootte. Door hun aard kunnen nanodeeltjes enigszins variëren in grootte, sommige zijn iets kleiner en andere iets groter dan de gemiddelde waarde. De deeltjesgrootte kan bijvoorbeeld invloed hebben op de stabiliteit en het gedrag van de formuleringen na toediening. Het is daarom belangrijk om de deeltjesgrootte in een farmaceutisch product te controleren om de kwaliteit ervan te evalueren en te garanderen.

Wetenschappers van EMBL Hamburg, Johannes Gutenberg Universiteit Mainz, Postnova Analytics GmbH en BioNTech SE hebben een nieuwe methode ontwikkeld om nauwkeurig de grootte van alle deeltjes in dergelijke farmaceutische producten op te helderen, evenals hun structuur en hoeveel RNA-moleculen ze in zich dragen. Het onderzoek werd uitgevoerd op basis van lipoplexformuleringen, een mRNA-afleverende technologie ontwikkeld door BioNTech. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports .

"Tot nu toe was het erg moeilijk om al deze grootte-gerelateerde eigenschappen te meten; daarom werden vaak alleen gemiddelde waarden bepaald", zegt Heinrich Haas, een van de leiders van het project. "Met onze nieuwe methode kunnen we veel maatgerelateerde kenmerken in één keer bepalen, met een enkele meting en voor alle nanodeeltjes in een product. Deze informatie kan handig zijn om de productkwaliteit te evalueren."

De methode zal ook toepasbaar zijn voor het onderzoek van andere farmaceutische producten.

"Liposomen zijn een ander type farmaceutische nanodeeltjes die al jaren worden toegepast voor de behandeling van kanker of infectieziekten zoals schimmelinfecties", zegt Peter Langguth, projectleider aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz.

"Nu zijn er zelfs generieke liposoomproducten op de markt verkrijgbaar, en waarschijnlijk zullen er nog meer volgen. De nieuwe methode kan zeer nuttig zijn bij het evalueren van de kwaliteit van deze generieke geneesmiddelen in vergelijking met de originele producten en zal de weg vrijmaken voor verdere hoogwaardige producten." hoogwaardige geneesmiddelen tegen een nog redelijkere prijs."

Een twee-in-één methode

Wat de nieuwe methode zo krachtig maakt, is dat deze twee technieken koppelt:asymmetrische veldstroomfractionering (AF4) en röntgenverstrooiing onder kleine hoeken (SAXS). AF4 scheidt op lipiden gebaseerde nanodeeltjes van andere delen van een mRNA-nanomedicijn en sorteert ze op basis van hun grootte.

Met SAXS kunnen wetenschappers de structuur en het aantal gesorteerde deeltjes bepalen. Om dit ondubbelzinnig te kunnen doen, hoeft slechts één type deeltje tegelijk te worden geanalyseerd. Daarom is het combineren van sorteren en meten zo cruciaal.

SAXS is een van de belangrijkste technieken die bij EMBL Hamburg wordt toegepast en beschikbaar is als service voor onderzoekers uit de academische wereld en de industrie in Europa en daarbuiten. De SAXS-bundellijn van EMBL Hamburg bij de PETRA III-synchrotron, nu uitgerust met het AF4-apparaat – opgezet met de hulp van medewerkers van Postnova Analytics GmbH – zal nieuwe mogelijkheden openen, niet alleen voor het bestuderen van farmaceutische nanodeeltjes, maar ook voor andere soorten onderzoek.

"De combinatie van deze twee hulpmiddelen kan nu op veel verschillende gebieden van de wetenschap worden gebruikt", zegt Melissa Graewert, stafwetenschapper bij EMBL Hamburg.

“Naast het helpen creëren van nieuwe medicijnen, kunnen we ze ook gebruiken om te begrijpen hoe deeltjes van verschillende grootte op elkaar inwerken in complexe biologische systemen. Ik heb deze nieuwe opzet nu bijvoorbeeld gebruikt om nauwkeurig te onderzoeken hoe zeer klein plastic afval, nanoplastics genaamd, die onze wateren vervuilen, kunnen worden afgedekt door eiwitten aan hun oppervlak te binden. Een belangrijke vraag is of deze eiwitafscherming ervoor zorgt dat nanoplastics door onze bloedbaan kunnen reizen en mogelijk verschillende organen kunnen bereiken, omdat ze mogelijk niet langer door ons immuunsysteem als vreemde voorwerpen worden herkend. "

Dit werk is een vervolg op verschillende eerdere samenwerkingsstudies tussen EMBL Hamburg, BioNTech SE en Johannes Gutenberg University Mainz, waarin werd onderzocht hoe mRNA beter kan worden geformuleerd en in menselijke cellen kan worden afgeleverd. De wetenschappers zetten hun gezamenlijke onderzoek voort om de toepassing van mRNA-nanomedicijnen verder te onderzoeken.

Meer informatie: Melissa A. Graewert et al., Kwantitatieve, op grootte opgeloste karakterisering van mRNA-nanodeeltjes door in-line koppeling van asymmetrische veldstroomfractionering met röntgenverstrooiing onder kleine hoeken, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10,1038/s41598-023-42274-z

Journaalinformatie: Wetenschappelijke rapporten

Geleverd door het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie