Nanopartículas de siloxano desbloqueiam direcionamento preciso de órgãos para terapia de mRNA

Embora pesquisas anteriores – inclusive na Penn Engineering – tenham examinado “bibliotecas” de LNPs para encontrar variantes específicas que visam órgãos como os pulmões, esta abordagem é semelhante à tentativa e erro. “Nunca entendemos como a estrutura de um componente-chave do LNP, o lipídio ionizável, determina o destino final dos LNPs para órgãos além do fígado”, diz Michael J. Mitchell, professor associado de bioengenharia.

Em um novo artigo publicado em Nanotecnologia da Naturezao grupo de Mitchell descreve como ajustes sutis na estrutura química do lipídio ionizável, um componente-chave do LNP, permitem a entrega específica de tecidos, em particular ao fígado, pulmões e baço.

A principal ideia dos pesquisadores foi incorporar compostos de siloxano, uma classe de compostos à base de silício e oxigênio já usados ​​​​em dispositivos médicos, cosméticos e distribuição de medicamentos, nos lipídios ionizáveis ​​​​que dão nome aos LNPs.

Assim como os utensílios domésticos de silício, que são conhecidos por serem duráveis ​​e fáceis de higienizar, os compósitos de siloxano demonstraram em pesquisas anteriores terem alta estabilidade e baixa toxicidade. “Procuramos explorar se esses atributos poderiam ser explorados para projetar LNPs altamente estáveis ​​e minimamente tóxicos para entrega de mRNA”, relatam os pesquisadores no artigo.

Ao testar cuidadosamente centenas de variantes das recém-batizadas nanopartículas lipídicas que incorporam siloxano (SiLNPs), os pesquisadores determinaram quais características químicas tiveram efeito na entrega de mRNA. “Identificando seus vivo a entrega foi um grande desafio”, diz Lulu Xue, pós-doutoranda no Mitchell Lab e uma das co-autoras do artigo.

No início, os pesquisadores usaram as variantes do SiLNP para fornecer mRNA que codifica a luciferase do vaga-lume, o gene que faz com que os vaga-lumes brilhem, para células cancerosas do fígado em um modelo animal, como um proxy para o uso de SiLNPs para tratar o câncer de fígado. Onde quer que as células começassem a brilhar, os pesquisadores podiam ter certeza de que os SiLNPs haviam transferido sua carga útil de mRNA para as células.

Quando células brilhantes também apareceram nos pulmões dos modelos animais, os pesquisadores perceberam que certas variantes de SiLNPs estavam guiando as moléculas para fora do fígado – o Santo Graal da pesquisa do LNP, uma vez que os LNPs tendem a se reunir no fígado, devido à rede complicada desse órgão. dos vasos sanguíneos.

Entre as mudanças identificadas pelo grupo que ajustaram a trajetória dos SiLNPs estavam ajustes tão pequenos quanto a substituição de um grupo químico por outro – uma amida por um éster, neste caso – o que levou a uma taxa de sucesso de 90% na entrega de mRNA ao pulmão. tecido no modelo animal.

“Acabamos de mudar a estrutura dos lipídios”, diz Xue, “mas esta pequena mudança na química lipídica aumentou substancialmente a distribuição extra-hepática”.

O grupo também determinou que uma grande variedade de factores químicos afectaram a eficácia global dos SiLNPs, incluindo o número de grupos de silício nos lípidos, o comprimento das caudas dos lípidos e a estrutura dos próprios lípidos.

Além disso, os SiLNPs tinham uma afinidade marcada pelas células endoteliais; uma vez que os vasos sanguíneos são feitos de células endoteliais, os SiLNPs podem ter aplicações clínicas na medicina regenerativa que tem como alvo os vasos sanguíneos danificados, em particular nos pulmões. Na verdade, os investigadores descobriram que os SiLNPs que fornecem substâncias que promovem o crescimento de novos vasos sanguíneos melhoraram drasticamente os níveis de oxigénio no sangue e a função pulmonar em modelos animais que sofreram de uma infecção viral que danificou os vasos sanguíneos dos pulmões.

Os pesquisadores teorizaram que uma razão para a eficácia dos SiLNPs poderia ser que os átomos de silício são maiores que os átomos de carbono. Como os átomos são menos compactados, quando os SiLNPs se fundem com as membranas das células alvo, o primeiro provavelmente aumenta a fluidez do último. Essa flexibilidade extra, por sua vez, ajuda o mRNA transportado pelos SiLNPs a entrar na célula alvo, de modo que o mRNA possa ser usado para produzir proteínas mais rapidamente. À medida que os SiLNPs viajam pela corrente sanguínea, as proteínas que se fixam à sua superfície também ajudam a guiá-los até o tecido certo.

Em última análise, os SiLNPs mostraram uma melhoria de até seis vezes na entrega de mRNA em comparação com as atuais variedades de LNP padrão-ouro, sugerindo que as propriedades únicas dos compósitos de siloxano têm um efeito pronunciado no potencial clínico das moléculas. “Esses SiLNPs são promissores para terapias de substituição de proteínas, medicina regenerativa e edição de genes baseada em CRISPR-Cas”, diz Xue.

“Esperamos que este artigo possa levar a novas aplicações clínicas para nanopartículas lipídicas, mostrando como simples alterações em sua estrutura química podem permitir a entrega de mRNA altamente específico ao órgão de interesse”, acrescenta Mitchell.

Este estudo foi conduzido na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia (Penn Engineering), Escola de Medicina Veterinária (PennVet), Escola de Medicina Perelman (Penn Medicine); a Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China; a Universidade de Delaware; e Temple University e foi apoiado pelo Prêmio Novo Inovador do Diretor do Instituto Nacional de Saúde dos EUA (NIH) (DP2 TR002776), um Prêmio de Carreira do Burroughs Wellcome Fund na Interface Científica (CASI), um Prêmio CAREER da National Science Foundation dos EUA (CBET-2145491 ), uma bolsa de pesquisa da American Cancer Society (RSG-22-122-01-ET) e dos Institutos Nacionais de Saúde (NICHD R01 HD115877).

Coautores adicionais incluem Ningqiang Gong (co-primeiro autor), Xuexiang Han, Sarah J. Shepherd, Rohan Palanki, Junchao Xu, Kelsey L. Swingle, Rakan El-Mayta, Il-Chul Yoon e Jingchen Xu da Penn Engineering; Gan Zhao (co-autor), Zebin Xiao e Andrew E. Vaughan, da PennVet; Vivek Chowdhary, Mohamad-Gabriel Alameh, Claude Warzecha, Lili Wang, James M. Wilson e Drew Weissman da Penn Medicine; Xinhong Xong e Jiaxi Cui da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China; Darrin J. Pochan, da Universidade de Delaware; e Karin Wang, da Temple University.