Utöka kraften hos RNA-interferens

RNA-interferens (RNAi), en teknik som kan stänga av specifika gener inuti levande celler, har stor potential för att behandla många sjukdomar orsakade av felaktiga gener. Det har dock varit svårt för forskare att hitta säkra och effektiva sätt att leverera genblockerande RNA till rätt mål.

Fram till denna punkt har forskare fått de bästa resultaten med RNAi riktat mot leversjukdomar, delvis för att det är en naturlig destination för nanopartiklar. Men nu, i en studie som visas i numret av Nature Nanotechnology den 11 maj, rapporterar ett MIT-ledd team att de har uppnått den mest potenta RNAi-gentystnaden hittills i icke-levervävnader.

MIT-ingenjörer designade RNA-bärande nanopartiklar (röda) som kan tas upp av endotelceller (färgade blå). Bild med tillstånd av Aude Thiriot/Harvard.

Med hjälp av nanopartiklar designade och screenade för endotelleverans av korta RNA-strängar som kallas siRNA, kunde forskarna rikta RNAi till endotelceller, som bildar fodret i de flesta organ. Detta ökar möjligheten att använda RNAi för att behandla många typer av sjukdomar, inklusive cancer och hjärt-kärlsjukdomar, säger forskarna.

Det har funnits en växande mängd spänning kring leverans till levern i synnerhet, men för att uppnå den breda potentialen hos RNAi-terapi är det viktigt att vi också kan nå andra delar av kroppen, säger Daniel Anderson, Samuel A. Goldblith docent i kemiteknik, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science, och en av tidningens seniorförfattare.

Tidningens andra senior författare är Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och medlem av Koch Institute. Huvudförfattare är MIT doktorand James Dahlman och Carmen Barnes från Alnylam Pharmaceuticals.

Riktad leverans

RNAi är en naturligt förekommande process, upptäckt 1998, som tillåter celler att kontrollera sitt genetiska uttryck. Genetisk information transporteras normalt från DNA i kärnan till ribosomer, cellulära strukturer där proteiner tillverkas. Korta RNA-strängar som kallas siRNA binder till budbärar-RNA:t som bär denna genetiska information, vilket hindrar den från att nå ribosomen.

Anderson och Langer har tidigare utvecklat nanopartiklar, nu i klinisk utveckling, som kan leverera siRNA till leverceller som kallas hepatocyter genom att belägga nukleinsyrorna i fettmaterial som kallas lipidoider. Hepatocyter griper tag i dessa partiklar eftersom de liknar de feta dropparna som cirkulerar i blodet efter att en måltid med hög fetthalt har konsumerats.

Levern är en naturlig destination för nanopartiklar, säger Anderson. Det betyder inte att det är lätt att leverera RNA till levern, men det betyder att om du injicerar nanopartiklar i blodet kommer de sannolikt att hamna där.

Forskare har haft viss framgång med att leverera RNA till icke-leverorgan, men MIT-teamet ville ta fram ett tillvägagångssätt som kunde uppnå RNAi med lägre doser av RNA, vilket kan göra behandlingen mer effektiv och säkrare.

De nya MIT-partiklarna består av tre eller flera koncentriska sfärer gjorda av korta kedjor av en kemiskt modifierad polymer. RNA förpackas inom varje sfär och frigörs när partiklarna kommer in i en målcell.

Gen tystande

En nyckelfunktion i MIT-systemet är att forskarna kunde skapa ett bibliotek med många olika material och snabbt utvärdera deras potential som leveransagenter. De testade cirka 2 400 varianter av deras partiklar i livmoderhalscancerceller genom att mäta om de kunde stänga av en gen som kodar för ett fluorescerande protein som hade lagts till cellerna. De testade sedan de mest lovande av dem i endotelceller för att se om de kunde störa en gen som heter TIE2, som nästan uteslutande uttrycks i endotelceller.

Med de bäst presterande partiklarna minskade forskarna genuttrycket med mer än 50 procent, för en dos på endast 0,20 milligram per kilogram lösning - ungefär en hundradel av den mängd som krävs med befintliga endotelial RNAi-leveransbärare. De visade också att de kunde blockera upp till fem gener samtidigt genom att leverera olika RNA-sekvenser.

De bästa resultaten sågs i lungendotelceller, men partiklarna levererade också framgångsrikt RNA till njurarna och hjärtat, bland andra organ. Även om partiklarna penetrerade endotelceller i levern, kom de inte in i leverhepatocyter.

Det som är intressant är att genom att ändra nanopartikelns kemi kan du påverka leveransen till olika delar av kroppen, eftersom de andra formuleringarna vi har arbetat med är mycket potenta för hepatocyter men inte så potenta för endotelvävnader, säger Anderson.

För att demonstrera potentialen för behandling av lungsjukdom använde forskarna nanopartiklarna för att blockera två gener som har varit inblandade i lungcancer - VEGF-receptor 1 och Dll4, som främjar tillväxten av blodkärl som matar tumörer. Genom att blockera dessa i lungendotelceller kunde forskarna bromsa lungtumörtillväxt hos möss och även minska spridningen av metastaserande tumörer.

Masanori Aikawa, docent i medicin vid Harvard Medical School, beskriver den nya tekniken som ett monumentalt bidrag som ska hjälpa forskare att utveckla nya behandlingar och lära sig mer om sjukdomar i endotelvävnad som åderförkalkning och diabetisk retinopati, som kan orsaka blindhet.

Endotelceller spelar en mycket viktig roll i flera steg av många sjukdomar, från initiering till uppkomsten av kliniska komplikationer, säger Aikawa, som inte var en del av forskargruppen. Den här typen av teknik ger oss ett extremt kraftfullt verktyg som kan hjälpa oss att förstå dessa förödande kärlsjukdomar.

Forskarna planerar att testa ytterligare potentiella mål i hopp om att dessa partiklar så småningom skulle kunna användas för att behandla cancer, ateroskleros och andra sjukdomar.

Forskare från Alnylam Pharmaceuticals och Harvard Medical School bidrog också till studien, som finansierades av ett National Defense Science and Engineering Fellowship, National Science Foundation, MIT Presidential Fellowships, National Institutes of Health, Stop and Shop Pediatric Brain Tumor Fund, Pediatric Brain Tumor Fund, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Alnylam och Center for RNA Therapeutics and Biology.

Dölj