Erweiterung der Kraft der RNA-Interferenz

RNA-Interferenz (RNAi), eine Technik, die bestimmte Gene in lebenden Zellen ausschalten kann, birgt großes Potenzial zur Behandlung vieler Krankheiten, die durch Fehlfunktionen von Genen verursacht werden. Für Wissenschaftler war es jedoch schwierig, sichere und wirksame Wege zu finden, um genblockierende RNA an die richtigen Ziele zu liefern.

Bisher haben Forscher die besten Ergebnisse mit RNAi erzielt, die auf Lebererkrankungen abzielt, auch weil es ein natürlicher Zielort für Nanopartikel ist. Aber jetzt, in einer Studie, die in der Ausgabe von Nature Nanotechnology vom 11. Mai erscheint, berichtet ein vom MIT geführtes Team, dass das bisher wirksamste RNAi-Gen-Silencing in Nichtlebergewebe erreicht wurde.

MIT-Ingenieure entwickelten RNA-tragende Nanopartikel (rot), die von Endothelzellen (blau gefärbt) aufgenommen werden können. Bild mit freundlicher Genehmigung von Aude Thiriot/Harvard.

Mithilfe von Nanopartikeln, die für den endothelialen Transport kurzer RNA-Stränge namens siRNA entwickelt und gescreent wurden, konnten die Forscher RNAi gezielt auf Endothelzellen lenken, die die Auskleidung der meisten Organe bilden. Dies eröffnet die Möglichkeit, RNAi zur Behandlung vieler Arten von Krankheiten einzusetzen, darunter Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, so die Forscher.

Insbesondere die Abgabe an die Leber ist immer aufregender, aber um das breite Potenzial der RNAi-Therapeutika auszuschöpfen, ist es wichtig, dass wir auch andere Körperteile erreichen können, sagt Daniel Anderson, der Samuel A Goldblith Associate Professor of Chemical Engineering, Mitglied des Koch-Instituts für integrative Krebsforschung und des Institute for Medical Engineering and Science des MIT und einer der leitenden Autoren des Artikels.

Der andere Senior-Autor des Papiers ist Robert Langer, der David H. Koch-Institut-Professor am MIT und ein Mitglied des Koch-Instituts. Hauptautoren sind der MIT-Doktorand James Dahlman und Carmen Barnes von Alnylam Pharmaceuticals.

Gezielte Lieferung

RNAi ist ein natürlich vorkommender Prozess, der 1998 entdeckt wurde und es Zellen ermöglicht, ihre genetische Expression zu kontrollieren. Genetische Informationen werden normalerweise von der DNA im Zellkern zu den Ribosomen übertragen, zellulären Strukturen, in denen Proteine ​​hergestellt werden. Kurze RNA-Stränge, die als siRNA bezeichnet werden, binden an die Boten-RNA, die diese genetische Information trägt, und hindern sie daran, das Ribosom zu erreichen.

Anderson und Langer haben zuvor Nanopartikel entwickelt, die sich jetzt in der klinischen Entwicklung befinden und die siRNA an Leberzellen, sogenannte Hepatozyten, abgeben können, indem sie die Nukleinsäuren in Fettmaterialien, sogenannte Lipidoide, umhüllen. Hepatozyten greifen diese Partikel an, weil sie den Fetttröpfchen ähneln, die nach einer fettreichen Mahlzeit im Blut zirkulieren.

Die Leber ist ein natürliches Ziel für Nanopartikel, sagt Anderson. Das bedeutet nicht, dass es einfach ist, RNA an die Leber zu liefern, aber es bedeutet, dass Nanopartikel, die in das Blut injiziert werden, wahrscheinlich dort landen.

Wissenschaftler hatten einige Erfolge bei der Verabreichung von RNA an Nichtleberorgane, aber das MIT-Team wollte einen Ansatz entwickeln, der RNAi mit niedrigeren RNA-Dosen erreichen könnte, was die Behandlung effektiver und sicherer machen könnte.

Die neuen MIT-Partikel bestehen aus drei oder mehr konzentrischen Kugeln aus kurzen Ketten eines chemisch modifizierten Polymers. RNA wird in jede Kugel verpackt und freigesetzt, sobald die Partikel in eine Zielzelle eintreten.

Gen-Silencing

Ein wesentliches Merkmal des MIT-Systems ist, dass die Wissenschaftler eine Bibliothek mit vielen verschiedenen Materialien erstellen und ihr Potenzial als Trägerstoffe schnell bewerten konnten. Sie testeten etwa 2.400 Varianten ihrer Partikel in Gebärmutterhalskrebszellen, indem sie maßen, ob sie ein Gen ausschalten können, das für ein fluoreszierendes Protein kodiert, das den Zellen hinzugefügt wurde. Anschließend testeten sie die vielversprechendsten in Endothelzellen, um zu sehen, ob sie ein Gen namens TIE2 stören könnten, das fast ausschließlich in Endothelzellen exprimiert wird.

Mit den leistungsstärksten Partikeln reduzierten die Forscher die Genexpression um mehr als 50 Prozent bei einer Dosis von nur 0,20 Milligramm pro Kilogramm Lösung – etwa ein Hundertstel der Menge, die mit bestehenden endothelialen RNAi-Transportvehikeln benötigt wird. Sie zeigten auch, dass sie bis zu fünf Gene gleichzeitig blockieren können, indem sie verschiedene RNA-Sequenzen liefern.

Die besten Ergebnisse wurden in Lungenendothelzellen erzielt, aber die Partikel lieferten RNA unter anderem erfolgreich an die Nieren und das Herz. Obwohl die Partikel Endothelzellen in der Leber durchdrangen, drangen sie nicht in Leberhepatozyten ein.

Interessant ist, dass Sie durch Änderung der Chemie der Nanopartikel die Abgabe an verschiedene Körperteile beeinflussen können, da die anderen Formulierungen, an denen wir gearbeitet haben, sehr wirksam für Hepatozyten, aber nicht so wirksam für Endothelgewebe sind, sagt Anderson.

Um das Potenzial zur Behandlung von Lungenerkrankungen zu demonstrieren, verwendeten die Forscher die Nanopartikel, um zwei Gene zu blockieren, die mit Lungenkrebs in Verbindung gebracht wurden – VEGF-Rezeptor 1 und Dll4, die das Wachstum von Blutgefäßen fördern, die Tumore ernähren. Indem sie diese in Lungenendothelzellen blockierten, konnten die Forscher das Wachstum von Lungentumoren bei Mäusen verlangsamen und auch die Ausbreitung von metastasierenden Tumoren reduzieren.

Masanori Aikawa, außerordentlicher Professor für Medizin an der Harvard Medical School, beschreibt die neue Technologie als einen monumentalen Beitrag, der Forschern helfen soll, neue Behandlungsmethoden zu entwickeln und mehr über Erkrankungen des Endothelgewebes wie Arteriosklerose und diabetische Retinopathie zu erfahren, die zur Erblindung führen können.

Endothelzellen spielen eine sehr wichtige Rolle in mehreren Schritten vieler Krankheiten, von der Einleitung bis zum Auftreten klinischer Komplikationen, sagt Aikawa, die nicht Teil des Forschungsteams war. Diese Art von Technologie gibt uns ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug, das uns helfen kann, diese verheerenden Gefäßerkrankungen zu verstehen.

Die Forscher planen, zusätzliche potenzielle Ziele zu testen, in der Hoffnung, dass diese Partikel schließlich zur Behandlung von Krebs, Arteriosklerose und anderen Krankheiten eingesetzt werden könnten.

Wissenschaftler von Alnylam Pharmaceuticals und der Harvard Medical School trugen ebenfalls zu der Studie bei, die von einem National Defense Science and Engineering Fellowship, der National Science Foundation, den MIT Presidential Fellowships, den National Institutes of Health, dem Stop and Shop Pediatric Brain Tumor Fund finanziert wurde. der Pediatric Brain Tumor Fund, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Alnylam und das Center for RNA Therapeutics and Biology.

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