RNA-interferens (RNAi), en teknik som kan stänga av specifika gener inuti levande celler, har stor potential för att behandla många sjukdomar orsakade av felaktiga gener. Dock, det har varit svårt för forskare att hitta säkra och effektiva sätt att leverera genblockerande RNA till rätt mål.

Fram till denna punkt, forskare har fått de bästa resultaten med RNAi riktat mot leversjukdomar, delvis för att det är en naturlig destination för nanopartiklar. Men nu, i en studie som visas i 11 maj-numret av Naturens nanoteknik , ett MIT-ledd team rapporterar att de har uppnått den mest potenta RNAi-genen hittills i icke-levervävnader.

Med hjälp av nanopartiklar designade och screenade för endotelleverans av korta RNA-strängar som kallas siRNA, forskarna kunde rikta RNAi till endotelceller, som bildar fodret i de flesta organ. Detta ökar möjligheten att använda RNAi för att behandla många typer av sjukdomar, inklusive cancer och hjärt-kärlsjukdomar, säger forskarna.

"Det har funnits en växande mängd spänning kring leverans till levern i synnerhet, men för att uppnå den breda potentialen hos RNAi -terapier, det är viktigt att vi också kan nå andra delar av kroppen, säger Daniel Andersson, Samuel A. Goldblith docent i kemiteknik, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science, och en av tidningens seniora författare.

Tidningens andra senior författare är Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och medlem av Koch Institute. Huvudförfattare är MIT doktorand James Dahlman och Carmen Barnes från Alnylam Pharmaceuticals.

Riktad leverans

RNAi är en naturligt förekommande process, upptäcktes 1998, som tillåter celler att kontrollera sitt genetiska uttryck. Genetisk information transporteras normalt från DNA i kärnan till ribosomer, cellulära strukturer där proteiner tillverkas. Korta RNA-strängar som kallas siRNA binder till budbärar-RNA:t som bär denna genetiska information, hindrar den från att nå ribosomen.

Anderson och Langer har tidigare utvecklat nanopartiklar, nu i klinisk utveckling, som kan leverera siRNA till leverceller som kallas hepatocyter genom att belägga nukleinsyrorna i fettmaterial som kallas lipidoider. Hepatocyter griper tag i dessa partiklar eftersom de liknar de feta dropparna som cirkulerar i blodet efter att en måltid med hög fetthalt har konsumerats.

"Levern är en naturlig destination för nanopartiklar, " säger Anderson. "Det betyder inte att det är lätt att leverera RNA till levern, men det betyder att om du injicerar nanopartiklar i blodet, de kommer sannolikt att hamna där."

Forskare har haft viss framgång med att leverera RNA till icke-leverorgan, men MIT-teamet ville ta fram ett tillvägagångssätt som kunde uppnå RNAi med lägre doser av RNA, vilket skulle kunna göra behandlingen mer effektiv och säkrare.

De nya MIT-partiklarna består av tre eller flera koncentriska sfärer gjorda av korta kedjor av en kemiskt modifierad polymer. RNA förpackas inom varje sfär och frigörs när partiklarna kommer in i en målcell.

Gen tystande

En nyckelfunktion i MIT-systemet är att forskarna kunde skapa ett "bibliotek" av många olika material och snabbt utvärdera deras potential som leveransagenter. De testade ca 2, 400 varianter av deras partiklar i livmoderhalscancerceller genom att mäta om de kunde stänga av en gen som kodar för ett fluorescerande protein som hade tillförts cellerna. De testade sedan de mest lovande av dem i endotelceller för att se om de kunde störa en gen som heter TIE2, som uttrycks nästan uteslutande i endotelceller.

Med de bästa partiklarna, forskarna minskade genuttrycket med mer än 50 procent, för en dos på endast 0,20 milligram per kilogram lösning – ungefär en hundradel av den mängd som krävs med existerande endotelial RNAi-tillförselvehiklar. De visade också att de kunde blockera upp till fem gener samtidigt genom att leverera olika RNA-sekvenser.

De bästa resultaten sågs i lungendotelceller, men partiklarna levererade också framgångsrikt RNA till njurarna och hjärtat, bland andra organ. Även om partiklarna penetrerade endotelceller i levern, de kom inte in i leverhepatocyter.

"Det som är intressant är att genom att ändra nanopartikelns kemi kan du påverka leveransen till olika delar av kroppen, eftersom de andra formuleringarna vi har arbetat med är mycket potenta för hepatocyter men inte så potenta för endotelvävnader, " säger Anderson.

För att visa potentialen för behandling av lungsjukdom, forskarna använde nanopartiklarna för att blockera två gener som har varit inblandade i lungcancer - VEGF-receptor 1 och Dll4, som främjar tillväxten av blodkärl som matar tumörer. Genom att blockera dessa i lungens endotelceller, forskarna kunde bromsa lungtumörtillväxt hos möss och även minska spridningen av metastaserande tumörer.

Masanori Aikawa, en docent i medicin vid Harvard Medical School, beskriver den nya tekniken som "ett monumentalt bidrag" som ska hjälpa forskare att utveckla nya behandlingar och lära sig mer om sjukdomar i endotelvävnad som åderförkalkning och diabetisk retinopati, som kan orsaka blindhet.

"Endotelceller spelar en mycket viktig roll i flera steg av många sjukdomar, från början till början av kliniska komplikationer, " säger Aikawa, som inte ingick i forskargruppen. "Den här typen av teknik ger oss ett extremt kraftfullt verktyg som kan hjälpa oss att förstå dessa förödande kärlsjukdomar."

Forskarna planerar att testa ytterligare potentiella mål i hopp om att dessa partiklar så småningom kan användas för att behandla cancer, åderförkalkning, och andra 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.