Inspirerad av små partiklar som transporterar kolesterol genom kroppen, MIT kemiingenjörer har designat nanopartiklar som kan leverera utdrag av genetiskt material som stänger av sjukdomsframkallande gener.

Detta tillvägagångssätt, känd som RNA-interferens (RNAi), har ett stort löfte för behandling av cancer och andra sjukdomar. Dock, levererar tillräckligt med RNA för att behandla den sjuka vävnaden, samtidigt som man undviker biverkningar i resten av kroppen, har visat sig svårt.

De nya MIT-partiklarna, som omsluter korta RNA-strängar i en sfär av fettmolekyler och proteiner, tysta målgener i levern mer effektivt än något tidigare leveranssystem, fann forskarna i en studie av möss.

"Vad vi är glada över är hur det bara krävs en mycket liten mängd RNA för att orsaka gennedslag i hela levern. Effekten är specifik för levern - vi får ingen effekt i andra vävnader där du inte vill ha det, säger Daniel Andersson, Samuel A. Goldblith docent i kemiteknik och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Anderson är seniorförfattare till en artikel som beskriver partiklarna i Proceedings of the National Academy of Sciences veckan den 10 februari Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT, är också författare.

Forskargruppen, som inkluderade forskare från Alnylam Pharmaceuticals, fann också att nanopartiklarna kraftfullt kunde tysta gener hos icke-mänskliga primater. Tekniken har licensierats till ett företag för kommersiell utveckling.

Naturlig inspiration

RNA-interferens är ett naturligt förekommande fenomen som forskare har försökt utnyttja sedan upptäckten 1998. Snuttar av RNA som kallas kort interfererande RNA (siRNA) stänger av specifika gener inuti levande celler genom att förstöra budbärar-RNA-molekylerna som bär DNA:s instruktioner till resten av cellen.

Forskare hoppas att detta tillvägagångssätt kan erbjuda nya behandlingar för sjukdomar orsakade av enstaka mutationer, som Huntingtons sjukdom, eller cancer, genom att blockera muterade gener som främjar cancerbeteende. Dock, att utveckla RNAi-terapier har visat sig vara utmanande eftersom det är svårt att leverera stora mängder siRNA till rätt plats utan att orsaka biverkningar i andra vävnader eller organ.

I tidigare studier, Anderson och Langer visade att de kunde blockera flera gener med små doser siRNA genom att linda in RNA:t i fettliknande molekyler som kallas lipidoider. I deras senaste verk, forskarna ville förbättra dessa partiklar, göra dem mer effektiva, mer selektiv, och säkrare, säger Yizhou Dong, en postdoc vid Koch-institutet och huvudförfattare till uppsatsen.

"Vi ville verkligen utveckla material för klinisk användning i framtiden, " säger han. "Det är vårt yttersta mål för materialet att uppnå."

Designinspirationen för de nya partiklarna kom från den naturliga världen – specifikt, små partiklar som kallas lipoproteiner, som transporterar kolesterol och andra fettmolekyler genom hela kroppen.

Liksom lipoproteinnanopartiklar, MIT-teamets nya lipopeptidpartiklar är sfärer vars yttre membran består av långa kedjor med en fet lipidsvans som är vänd in i partikeln. I de nya partiklarna, kedjans huvud, som är vänd utåt, är en aminosyra (byggstenarna i proteiner). Strängar av siRNA bärs in i sfären, omgiven av fler lipopeptidmolekyler. Molekyler av kolesterol inbäddade i membranet och en yttre beläggning av polymeren PEG hjälper till att stabilisera strukturen.

Forskarna trimmade partiklarnas kemiska egenskaper, som bestämmer deras beteende, genom att variera aminosyrorna som ingår i partiklarna. Det finns 21 aminosyror som finns i flercelliga organismer; forskarna skapade cirka 60 lipopeptidpartiklar, var och en innehåller en annan aminosyra kopplad till en av tre kemiska grupper - ett akrylat, en aldehyd, eller en epoxid. Dessa grupper bidrar också till partiklarnas beteende.

David Putnam, en docent i biomedicinsk teknik vid Cornell University, säger att han är imponerad av teamets metod för att efterlikna hur kroppen transporterar fettmolekyler med lipoproteinpartiklar.

"De kapade det maskineriet och gjorde något som ser ut som lipoproteinstrukturerna och som kommer att bära siRNA direkt till levern. De bygger på Moder Natur och gör det så effektivt som möjligt, säger Putnam, som inte ingick i forskargruppen.

Riktad strejk

Forskarna testade sedan partiklarnas förmåga att stänga av genen för ett blodkoaguleringsprotein som heter Faktor VII, som produceras i levern av celler som kallas hepatocyter. Mätning av faktor VII-nivåer i blodomloppet avslöjar hur effektiv siRNA-tystningen är.

På den första skärmen, den mest effektiva partikeln innehöll aminosyran lysin kopplad till en epoxid, så forskarna skapade ytterligare 43 nanopartiklar liknande den, för ytterligare tester. Det bästa av dessa föreningar, känd som cKK-E12, uppnådde gentystnad fem gånger effektivare än den som uppnåddes med någon tidigare siRNA-leveransvehikel.

I ett separat experiment, forskarna levererade siRNA för att blockera en tumörsuppressorgen som uttrycks i alla kroppsvävnader. De fann att siRNA-leverans var mycket specifik för levern, vilket bör minimera risken för biverkningar utanför målet.

"Det är viktigt eftersom vi inte vill att materialet ska tysta alla mål i människokroppen, " Dong säger. "Om vi ​​vill behandla patienter med leversjukdom, vi vill bara tysta mål i levern, inte andra celltyper."

I tester på icke-mänskliga primater, forskarna fann att partiklarna effektivt kunde tysta en gen som kallas TTR (transtyretin), som har varit inblandad i sjukdomar inklusive senil systemisk amyloidos, familjär amyloid polyneuropati, och familjär amyloid kardiomyopati.

MIT-teamet försöker nu lära sig mer om hur partiklarna beter sig och vad som händer med dem när de väl injiceras, i hopp om att ytterligare förbättra partiklarnas prestanda. De arbetar också med nanopartiklar som riktar sig mot andra organ än levern, vilket är mer utmanande eftersom levern är en naturlig destination för främmande material som filtreras bort från blodet.

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.