Nanodeeltjes kunnen genetische defecten in cystic fibrosis-longen corrigeren

Onderzoekers ontwikkelen nieuwe, inhaleerbare nanodeeltjes die zijn ontworpen om op RNA gebaseerde gene-editing-therapieën rechtstreeks in de longen af ​​te leveren, meldt een studie.

Het is nu aangetoond dat het effectief is bij muizen, en het uiteindelijke doel is om inhalatietherapieën te ontwikkelen om genetische defecten te corrigeren bij aandoeningen die de longen aantasten, zoals cystic fibrosis (CF).

Daniel Anderson, PhD, co-leider van de studie aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), zei: Universitair persbericht. “We hopen dat het kan worden gebruikt om een ​​reeks genetische ziekten te behandelen of te herstellen, waaronder cystische fibrose.”

Details van de nieuwe ontwikkeling zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur BiotechnologieIn de studie, “Combinatorisch ontwerp van nanodeeltjes voor pulmonale mRNA-afgifte en genoombewerking. “

Bij cystische fibrose leiden erfelijke genetische defecten tot een tekort aan of afwezigheid van het CFTR-eiwit, wat resulteert in dik, kleverig slijm dat verschillende organen bedekt, waaronder de luchtwegen.

Hoewel verschillende goedgekeurde therapieën de longfunctie bij CF-patiënten verbeteren, zoals CFTR-modulatoren die werken door CFTR-eiwitdefecten te corrigeren, behandelen ze niet de onderliggende genetische oorzaak.

De tool voor het bewerken van genen CRISPR-Cas9, geleverd aan de luchtwegen, vertegenwoordigt een veelbelovende aanpak voor het corrigeren van genetische defecten bij cystische fibrose en vergelijkbare longaandoeningen, aldus de wetenschappers.

In 2019 creëerde het laboratorium van Anderson inhaleerbare nanodeeltjes die boodschapper-RNA (mRNA) in de longen van muizen afleveren. mRNA is het molecuul dat informatie vervoert die is opgeslagen in genen om eiwitten te maken.

Om de aanpak verder te verfijnen om mRNA-codering te leveren voor componenten van CRISPR-Cas9, waardoor genbewerking in de longen mogelijk wordt, werkte Anderson samen met Wen Xue, PhD, aan het RNA Therapeutics Institute van de University of Massachusetts Medical School.

Lipide nanodeeltjes

Het team creëerde eerst een bibliotheek van 720 nieuwe potentiële lipidenanodeeltjes (LNP’s) door 10 verschillende lipiden te combineren met 72 positief geladen kopgroepen. Lipide-achtige lipiden helpen LNP’s door het celmembraan te gaan, terwijl de positieve lading op de kopgroep bindt aan het negatief geladen mRNA. LNP’s zijn kleine zakjes die zijn samengesteld uit lipide-achtige lipiden die mRNA inkapselen, een strategie waarvan is aangetoond dat deze effectief is door het succes van mRNA-vaccins voor het COVID-19-virus.

Onderzoek van LNP’s in op cellen gebaseerde assays identificeerde die die het beste waren in het afleveren van mRNA in cellen, wat werd gevalideerd door intratracheale (in de luchtwegen) toediening bij muizen.

Van de negen beste nieuwe LNP’s droeg de top zes CRISPR-Cas9-mRNA in cellen en veranderde het doelgen. Met name de LNP, ook bekend als RCB-4-8, die het beste was in het afleveren van mRNA aan cellen in muizenlongen, had ook de hoogste efficiëntie (ongeveer 95%) bij het veranderen van een doelgen in de cellen.

In dosis-responstesten was RCB-4-8 ongeveer 100 keer effectiever in het afleveren van mRNA in muizenlongen dan een andere lipideformulering (MC3) die is goedgekeurd voor RNA-afgifte. Bovendien bleef minder dan 30% van RCB-4-8 dagen na de behandeling in de longen in vergelijking met meer dan 90% retentie van MC3, “wat wijst op verminderde toxiciteit”, merkte het team op.

Verdere onderzoeken toonden aan dat LNP vatbaar was voor herhaalde dosering. Dit kan hen een voordeel geven ten opzichte van het gebruik van een gemodificeerde versie van onschadelijke adenovirussen voor mRNA-afgifte vanwege de mogelijke immuunrespons van herhaalde virale doses.

Efficiënte levering

“Dit betekent dat de cellen die we hebben kunnen aanpassen, echt de cellen zijn die van belang zijn bij longziekte”, zegt Bowen Lee, een voormalig MIT-postdoctoraal onderzoeker die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Toronto, Canada. “Dit lipide kan ons in staat stellen mRNA veel efficiënter in de longen af ​​te leveren dan enig ander toedieningssysteem dat tot nu toe is gerapporteerd.”

Ten slotte werd RCB-4-8 intratracheaal toegediend aan muizen die zodanig waren gemodificeerd dat componenten van CRISPR/Cas9 het gen onderbreken, wat leidde tot een fluorescerend signaal in longcellen. Drie doses gedurende vier dagen genereerden een signaal in ongeveer 60% van de longcellen. Ongeveer 15% van de trilharen en knots-epitheelcellen, de twee belangrijkste soorten cellen die langs de luchtwegen lopen, werden effectief gewijzigd.

“Ons proof-of-concept-werk demonstreert op overtuigende wijze leveringsbenaderingen op basis van de RCB-4-8 LNP voor efficiënte CRISPR-Cas9-genbewerking in de long”, schreef het team.

Werk aan stabiliteit

De onderzoekers merken op dat ze werken aan het verbeteren van de stabiliteit van vernevelende LNP-formuleringen “om patiënten in staat te stellen gentherapie te krijgen door simpelweg mRNA-LNP’s via een vernevelaar te inhaleren.” Omdat CF wordt gekenmerkt door dik slijm, zal toekomstig werk zich ook concentreren op LNP-formuleringen in diermodellen met abnormaal slijm.

“Deze prestatie maakt de weg vrij voor veelbelovende toepassingen voor therapeutische genafgifte voor verschillende longziekten”, zegt Dan Beer, PhD, directeur van het Precision NanoMedicine Laboratory aan de Universiteit van Tel Aviv, in Israël. Peer was er ook bij Eerste om de levering van RNA-moleculen met behulp van nanodragers te laten zien.

“Dit platform heeft veel voordelen ten opzichte van conventionele vaccins en behandelingen, waaronder dat het celvrij is, snelle productie mogelijk maakt, een grote veelzijdigheid heeft en een gunstig veiligheidsprofiel heeft”, voegde Beer toe.

Financiering voor deze studie werd verstrekt door Translate Bio, de National Institutes of Health en de American Cancer Society Stichting Cystic Fibrosisevenals het Leslie Dunn School of Pharmacy Startup Fund en een PRiME Postdoctoral Fellowship, beide van de Universiteit van Toronto.

Translate Bio leidde de Fase 1/2 experiment (NCT03375047) Het heet RESTORE-CF en test MRT5005, een experimentele behandeling waarbij gebruik wordt gemaakt van geïnhaleerd mRNA om een ​​functioneel CFTR-eiwit rechtstreeks in cystic fibrosis-longen af ​​te leveren. Herhaalde dosering bleek over het algemeen veilig te zijn en werd goed verdragen in een vroege analyse.