Leverera funktionella gener till celler för att ersätta muterade gener, en metod som kallas genterapi, har potential att behandla många typer av sjukdomar. De tidigaste ansträngningarna att leverera gener till sjuka celler fokuserade på DNA, men många forskare undersöker nu möjligheten att använda RNA istället, vilket skulle kunna erbjuda förbättrad säkerhet och enklare leverans.

MIT biologiska ingenjörer har nu tagit fram ett sätt att reglera uttrycket av RNA när det väl kommer in i cellerna, ge dem exakt kontroll över dosen av protein som en patient får. Denna teknik kan göra det möjligt för läkare att mer exakt skräddarsy behandling för enskilda patienter, och det erbjuder också ett sätt att snabbt stänga av generna, om nödvändigt.

"Vi kan mycket diskret kontrollera hur olika gener uttrycks, " säger Jacob Becraft, en MIT doktorand och en av huvudförfattarna till studien, som förekommer i numret 16 oktober av Naturens kemiska biologi . "Historiskt sett, genterapier har stött på problem angående säkerhet, men med nya framsteg inom syntetisk biologi, vi kan skapa helt nya paradigm av "smarta terapier" som aktivt interagerar med patientens egna celler för att öka effektiviteten och säkerheten. "

Becraft och hans kollegor på MIT har startat ett företag för att vidareutveckla detta tillvägagångssätt, med ett inledande fokus på cancerbehandling. Tyler Wagner, en ny doktorsexamen från Boston University. mottagare, är också huvudförfattare till tidningen. Tasuku Kitada, en före detta MIT postdoc, och Ron Weiss, en MIT-professor i biologisk teknik, är seniora författare.

RNA-kretsar

Endast ett fåtal genterapier har hittills godkänts för mänsklig användning, men forskare arbetar på och testar nya genterapibehandlingar för sjukdomar som sicklecellanemi, hemofili, och medfödd ögonsjukdom, bland många andra.

Som ett verktyg för genterapi, DNA kan vara svårt att arbeta med. När de bärs av syntetiska nanopartiklar, partiklarna måste levereras till kärnan, vilket kan vara ineffektivt. Virus är mycket effektivare för DNA-leverans; dock, de kan vara immunogena, svår, och dyrt att producera, och ofta integrerar deras DNA i cellens eget genom, begränsa deras tillämpbarhet i genetiska terapier.

Messenger RNA, eller mRNA, erbjuder en mer direkt, och icke-permanent, sätt att förändra cellers genuttryck. I alla levande celler, mRNA bär kopior av informationen i DNA till cellorganeller som kallas ribosomer, som sätter ihop proteinerna som kodas av gener. Därför, genom att leverera mRNA som kodar för en viss gen, forskare kan inducera produktion av det önskade proteinet utan att behöva få in genetiskt material i en cells kärna eller integrera det i genomet.

För att göra RNA-baserad genterapi mer effektiv, MIT-teamet bestämde sig för att exakt kontrollera produktionen av terapeutiska proteiner när RNA:t kommer in i cellerna. Att göra det, de bestämde sig för att anpassa syntetiska biologins principer, som möjliggör exakt programmering av syntetiska DNA-kretsar, till RNA.

Forskarnas nya kretsar består av en enda RNA-sträng som inkluderar gener för de önskade terapeutiska proteinerna samt gener för RNA-bindande proteiner, som styr uttrycket av de terapeutiska proteinerna.

"På grund av replikeringens dynamiska natur, kretsarnas prestanda kan ställas in så att olika proteiner kan uttryckas vid olika tidpunkter, alla från samma RNA -sträng, "Säger Becraft.

Detta gör att forskarna kan slå på kretsarna vid rätt tidpunkt genom att använda "småmolekylära" läkemedel som interagerar med RNA-bindande proteiner. När ett läkemedel som doxycyklin, som redan är FDA-godkänd, läggs till i cellerna, det kan stabilisera eller destabilisera interaktionen mellan RNA och RNA-bindande proteiner, beroende på hur kretsen är utformad. Denna interaktion avgör om proteinerna blockerar RNA-genuttryck eller inte.

I en tidigare studie, forskarna visade också att de kunde bygga cellspecificitet i sina kretsar, så att RNA:t bara blir aktivt i målcellerna.

Inriktning på cancer

Företaget som forskarna startade, Strand Therapeutics, arbetar nu med att anpassa detta tillvägagångssätt till cancerimmunterapi – en ny behandlingsstrategi som går ut på att stimulera en patients eget immunsystem att attackera tumörer.

Med hjälp av RNA, forskarna planerar att utveckla kretsar som selektivt kan stimulera immunceller att attackera tumörer, gör det möjligt att rikta in sig på tumörceller som har metastaserat till svåråtkomliga delar av kroppen. Till exempel, det har visat sig svårt att rikta sig mot cancerceller, såsom lungskador, med mRNA på grund av risken att inflamma lungvävnaden. Använda RNA-kretsar, forskarna levererar först sin terapi till riktade cancercelltyper i lungan, och genom deras genetiska kretsar, RNA skulle aktivera T-celler som skulle kunna behandla cancerns metastaser på andra ställen i kroppen.

"Förhoppningen är att framkalla ett immunsvar som kan plocka upp och behandla resten av metastaserna i hela kroppen, " säger Becraft. "Om du kan behandla ett ställe av cancern, då tar ditt immunförsvar hand om resten, eftersom du nu har byggt upp ett immunsvar mot det."

Genom att använda dessa typer av RNA-kretsar, läkare skulle kunna justera doser baserat på hur patienten svarar, säger forskarna. Kretsarna ger också ett snabbt sätt att stänga av terapeutisk proteinproduktion i fall där patientens immunförsvar blir överstimulerat, vilket kan vara dödligt.

I framtiden, forskarna hoppas kunna utveckla mer komplexa kretsar som kan vara både diagnostiska och terapeutiska – först upptäcka ett problem, såsom en tumör, och sedan producera det lämpliga läkemedlet.