Forskare från Johns Hopkins och universitet i Northwestern har upptäckt hur man kontrollerar formen på nanopartiklar som flyttar DNA genom kroppen och har visat att formerna på dessa bärare kan göra stor skillnad i hur väl de fungerar vid behandling av cancer och andra sjukdomar.

Den här studien, kommer att publiceras i tidskriftens onlineupplaga den 12 oktober Avancerade material , är också anmärkningsvärt eftersom denna genterapiteknik inte använder ett virus för att transportera DNA in i celler. Vissa genterapiinsatser som är beroende av virus har inneburit hälsorisker.

"Dessa nanopartiklar kan bli ett säkrare och effektivare leveransmedel för genterapi, riktar sig mot genetiska sjukdomar, cancer och andra sjukdomar som kan behandlas med genmedicin, sa Hai-Quan Mao, en docent i materialvetenskap och teknik vid Johns Hopkins' Whiting School of Engineering.

Mao, medförfattare till den Avancerade material artikel, har utvecklat icke-virala nanopartiklar för genterapi i ett decennium. Hans tillvägagångssätt innebär att komprimera friska bitar av DNA i skyddande polymerbeläggningar. Partiklarna är designade för att leverera sin genetiska nyttolast först efter att de har rört sig genom blodomloppet och kommit in i målcellerna. Inuti cellerna, polymeren bryts ned och frisätter DNA. Genom att använda detta DNA som en mall, cellerna kan producera funktionella proteiner som bekämpar sjukdomar.

Ett stort framsteg i detta arbete är att Mao och hans kollegor rapporterade att de kunde "stämma" dessa partiklar i tre former, som liknar stavar, maskar och sfärer, som efterliknar virala partiklars former och storlekar. "Vi kunde observera dessa former i labbet, men vi förstod inte helt varför de antog dessa former och hur man kontrollerade processen väl, " sa Mao. Dessa frågor var viktiga eftersom DNA-leveranssystemet han föreställer sig kan kräva specifika, enhetliga former.

För att lösa det här problemet, Mao sökte hjälp för ungefär tre år sedan från kollegor på Northwestern. Medan Mao arbetar i ett traditionellt vått labb, Northwestern-forskarna är experter på att utföra liknande experiment med kraftfulla datormodeller.

Erik Luijten, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och tillämpad matematik vid Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science och medförfattare till artikeln, ledde den beräkningsmässiga analysen av fynden för att fastställa varför nanopartiklarna bildades i olika former.

"Våra datorsimuleringar och teoretiska modell har gett en mekanistisk förståelse, identifiera vad som är ansvarigt för denna formförändring, "Vi kan nu förutsäga exakt hur man väljer nanopartikelkomponenterna om man vill få en viss form."

Användningen av datormodeller gjorde det möjligt för Luijtens team att efterlikna traditionella labbexperiment i en mycket snabbare takt. Dessa molekylär dynamiska simuleringar utfördes på Quest, Northwesterns högpresterande datorsystem. Beräkningarna var så komplexa att vissa av dem krävde 96 datorprocessorer som arbetade samtidigt under en månad.

I deras tidning, forskarna ville också visa vikten av partikelformer för att ge genterapi. Teammedlemmar genomförde djurtester, alla använder samma partikelmaterial och samma DNA. Den enda skillnaden var i formen på partiklarna:stavar, maskar och sfärer.

"De maskformade partiklarna resulterade i 1, 600 gånger mer genuttryck i levercellerna än de andra formerna, ", sa Mao. "Detta betyder att produktion av nanopartiklar i denna speciella form kan vara det effektivare sättet att leverera genterapi till dessa celler."

Partikelformerna som används i denna forskning bildas genom att förpacka DNA:t med polymerer och utsätta dem för olika utspädningar av ett organiskt lösningsmedel. DNAs aversion mot lösningsmedlet, med hjälp av teamets designade polymer, får nanopartiklarna att dra ihop sig till en viss form med en "sköld" runt det genetiska materialet för att skydda det från att rensas av immunceller.