Nanopartiklar som levererar korta RNA-strängar erbjuder ett sätt att behandla cancer och andra sjukdomar genom att stänga av felaktiga gener. Även om detta tillvägagångssätt har visat något lovande, forskarna är fortfarande inte säkra på exakt vad som händer med nanopartiklarna när de väl kommer in i sina målceller.

En ny studie från MIT kastar ljus över nanopartiklarnas öde och föreslår nya sätt att maximera leveransen av RNA-strängarna de bär på, känd som kort interfererande RNA (siRNA).

"Vi har kunnat utveckla nanopartiklar som kan leverera nyttolaster till celler, men vi förstod inte riktigt hur de gjorde det, säger Daniel Andersson, Samuel Goldblith docent i kemiteknik vid MIT. "När du vet hur det fungerar, det finns potential att du kan mixtra med systemet och få det att fungera bättre."

Andersson, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och MIT:s Institute for Medical Engineering and Science, är ledare för en forskargrupp som satte sig för att undersöka hur nanopartiklarna och deras läkemedelsnyttolaster bearbetas på cellulär och subcellulär nivå. Deras resultat visas i numret den 23 juni av Naturens bioteknik . Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT, är också författare till tidningen.

En RNA-leveransmetod som har visat sig vara särskilt lovande är att packa strängarna med ett lipidliknande material; liknande partiklar är nu i klinisk utveckling för levercancer och andra sjukdomar.

Genom en process som kallas RNA-interferens, siRNA riktar sig mot budbärar-RNA (mRNA), som bär genetiska instruktioner från en cells DNA till resten av cellen. När siRNA binder till mRNA, meddelandet som bärs av det mRNA förstörs. Att utnyttja den processen kan göra det möjligt för forskare att stänga av gener som tillåter cancerceller att växa okontrollerat.

Forskare visste redan att siRNA-bärande nanopartiklar kommer in i celler genom en process, kallas endocytos, genom vilka celler uppslukar stora molekyler. MIT-teamet fann att när nanopartiklarna kommer in i cellerna blir de fångade i bubblor som kallas endocytiska vesiklar. Detta förhindrar det mesta av siRNA från att nå sitt mål-mRNA, som finns i cellens cytosol (cellens huvudkropp).

Detta händer även med de mest effektiva siRNA-leveransmaterialen, tyder på att det finns mycket utrymme för att förbättra leveranshastigheten, säger Andersson.

"Vi tror att dessa partiklar kan göras mer effektiva. De är redan mycket effektiva, till den punkt där mikrogram läkemedel per kilo djur kan fungera, men dessa typer av studier ger oss ledtrådar om hur vi kan förbättra prestanda, " säger Anderson.

Molekylär trafikstockning

Forskarna fann att när celler absorberar lipid-RNA-nanopartiklarna, de bryts ner inom ungefär en timme och utsöndras från cellerna.

De identifierade också ett protein som heter Niemann Pick typ C1 (NPC1) som en av huvudfaktorerna i nanopartikelåtervinningsprocessen. Utan detta protein, partiklarna kunde inte utsöndras från cellerna, ge siRNA mer tid att nå sina mål. "I avsaknad av NPC1, det är trafikstockning, och siRNA får mer tid att fly från den där trafikstockningen eftersom det finns en eftersläpning, " säger Gaurav Sahay, en MIT postdoc och huvudförfattare till Nature Biotechnology paper.

I studier av celler odlade i labbet utan NPC1, forskarna fann att nivån av gentystnad som uppnåddes med RNA-interferens var 10 till 15 gånger högre än i normala celler.

Brist på NPC1 orsakar också en sällsynt lysosomal lagringsstörning som vanligtvis är dödlig i barndomen. Resultaten tyder på att patienter med denna störning kan ha stor nytta av potentiell RNA-interferensterapi som levereras av denna typ av nanopartiklar, säger forskarna. De planerar nu att studera effekterna av att slå ut NPC1-genen på siRNA-leverans hos djur, med ett öga mot att testa möjliga siRNA-behandlingar för sjukdomen.

Forskarna letar också efter andra faktorer som är involverade i nanopartikelåtervinning som kan vara bra mål för att eventuellt bromsa eller blockera återvinningsprocessen, som de tror kan hjälpa till att göra RNA-interferensläkemedel mycket mer potenta. Möjliga sätt att göra det kan inkludera att ge ett läkemedel som stör återvinningen av nanopartiklar, eller skapa nanopartikelmaterial som mer effektivt kan undvika återvinningsprocessen.

"Det här dokumentet beskriver ett nytt och mycket viktigt sätt att förbättra styrkan hos siRNA-leveranssystem genom att hämma proteiner som återvinner importerat material tillbaka ut ur cellen, " säger Pieter Cullis, en professor i biokemi och molekylärbiologi vid University of British Columbia som inte ingick i forskargruppen. "Det är möjligt att detta tillvägagångssätt kommer att ge upphov till den storleksordning förbättringar i styrka som krävs för att siRNA-baserade terapier ska vara mer allmänt effektiva medel för att behandla sjukdomar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.