Forskare som försöker förbättra cancerbehandlingar har skapat en liten läkemedelstransportör som maximerar dess förmåga att tysta skadliga gener genom att hitta motsvarigheten till en motorväg in i en målcell.
Transportören, kallas nanobärare, är en lipidbaserad struktur som innehåller en bit RNA. Lipider är fettmolekyler som hjälper till att upprätthålla cellmembranens struktur.
RNA-segmentet inneslutet i bäraren sätter igång en process för att tysta gener, vilket gör generna oförmögna att producera proteiner som leder till sjukdomar eller andra hälsoproblem.
Även om bärarens huvudkomponent liknar befintliga och tidigare studerade transportörer, Forskare från Ohio State University har fäst specifika hjälpmolekyler på bärarens yta som deras forskning tyder på kan förbättra transportörens effektivitet.
Genom att hitta de vägar som är likvärdiga med motorvägar, kontra vägar som liknar långsammare lokala vägar, att komma in i cellerna, bärarna tillbringar då mer tid i de delar av cellerna där de kan lösas upp och deponera RNA-segmenten. Dessa segment, kallas små störande RNA eller siRNA, kan sedan tysta målgener under en längre tid.
Nyligen genomförda studier tyder på att den Ohio State-designade nanobäraren möjliggör en sexfaldig minskning av produktionen av målproteiner jämfört med de genljudande effekterna till följd av användningen av tidigare testade transportörer.
"Vi har designat en annan nanobärarformulering och visat att denna formulering kan påverka den cellulära ingångsvägen, vilket i sin tur påverkar hur länge siRNA exponeras för cellens huvudkropp, " sa Chenguang Zhou, en doktorand i farmaceutik vid Ohio State och huvudförfattare till studien. "Mer av den exponeringen är lika med bättre och längre gentystnad."
Forskningen valdes ut till en 2011 American Association of Pharmaceutical Scientists (AAPS) Innovation in Biotechnology Award. Zhou var inbjuden att presentera arbetet vid den nyligen genomförda AAPS National Biotechnology Conference.
SiRNA:s roll i celler har fastställts som en viktig genregleringsmekanism som har potential att skydda celler mot inkräktare, som virus, eller för att minska aktiviteten hos onkogener som orsakar cancer. Men att utnyttja siRNA:s skyddande egenskaper för terapeutiska ändamål har varit svårt, dels för att siRNA är för stort och komplext för att resa genom mag-tarmsystemet eller blodomloppet. Den har också en negativ laddning, som de flesta cellmembran, vilket betyder att om det inte genereras naturligt inuti en cell, den kan inte penetrera celler av sig själv.
Andra forskargrupper har utvecklat lipidbaserade nanobärare. Nanobäraren som Zhou och hans kollegor har designat, dock, använder en annan metod – den har en speciell förening på ytan som hjälper den att glida in lättare i cellen.
I samtliga fall, en syntetisk form av siRNA – en som är specifikt relaterad till en målgen – tillverkas för att efterlikna de RNA-bitar som finns i naturen. siRNA är sedan inkapslat inuti nanobäraren, som fungerar som en siRNA-leveransanordning till målceller.
I experiment i celler som jämför effekterna av traditionella nanobärare och Zhous bärare, kallas en SPANosom, forskarna fann att siRNA levererat av SPANosomen var ungefär sex gånger effektivare för att tysta målgenaktiviteten än siRNA som transporterades av traditionella bärare. Ohio State-bäraren minskade den associerade proteinproduktionen med 95 procent, jämfört med en 70,6 procents minskning av proteiner till följd av användningen av den traditionella bäraren.
Forskarna började sedan ta reda på varför deras bärare var så effektiv.
De visste, baserat på tidigare forskning, att utföra sin roll, siRNA måste fly från ett fack inuti en cell för att maximera dess exponering för cellens huvudkropp. Den måste också undvika en annan specifik del av cellen där utomstående förnedras och faller isär. Hela denna process kallas farmakokinetik.
För att observera denna aktivitet, forskarna använde sofistikerade fluorescerande avbildningstekniker för att upptäcka hur effektivt siRNA var vid olika tidpunkter efter att det introducerats till celler via olika typer av bärare. De fann att fyra timmar efter introduktionen av levercancerceller, siRNA som transporterades av SPANosomen hade 3,5 gånger mer exponering för cellkroppen än siRNA som transporterades av mer traditionella bärare.
"Vi såg en korrelerande ökning med 3,5 gånger mer genljudande aktivitet, ", sade Zhou. "Anledningen till att du vill studera farmakokinetik är för att du vill hitta exponerings- och svarsförhållandet. Anledningen till att SPANosomen är mer effektiv är att den möjliggör ökad exponering av siRNA för huvuddelen av cellen."
Eftersom siRNA kan förekomma naturligt i varje cell, nanobärare som används för att leverera siRNA för terapeutiska ändamål måste utformas så att de endast penetrerar målceller, såsom tumörceller eller leverceller, för att tysta specifika gener relaterade till sjukdom. Forskarna använde ytterligare avbildningstekniker för att spåra hur deras bärare hittar sina målceller.
Och det var här motorvägskonceptet kom in i bilden. Nanobärare har i huvudsak tre möjliga vägar in i cellen – två som är likvärdiga med motorvägar och en som är mer lik en långsammare, lokal väg. SPANosomen, på grund av dess design, använder motorvägarna för att komma in i levercancerceller, minskar dess chanser att skickas till delar av cellen där den kommer att brytas i bitar.
Zhou och kollegor samarbetar med forskare inom medicin- och bioteknikindustrin för att ytterligare testa SPANosomen som ett potentiellt medel för att leverera läkemedel för cancerbehandling, speciellt vid levercancer.
