Nanoteknik kan en dag tillhandahålla ett inhalerat vehikel för att leverera riktade terapeutiska gener för dem som lider av livshotande lungsjukdomar. Forskare kan ha upptäckt det första gentillförselsystemet som effektivt penetrerar den svåröverträdda mänskliga luftvägsslembarriären i lungvävnad.
Forskare vid Johns Hopkins University School of Medicine, Johns Hopkins University Institutionen för kemi och biomolekylär teknik, och Federal University of Rio de Janeiro i Brasilien har designat en DNA-laddad nanopartikel som kan passera genom slembarriären som täcker ledande luftvägar i lungvävnad – vilket bevisar konceptet, de säger, att terapeutiska gener en dag kan levereras direkt till lungorna till de nivåer som är tillräckliga för att behandla cystisk fibros (CF), kronisk obstruktiv lungsjukdom, astma och andra livshotande lungsjukdomar.
"Så vitt vi vet, detta är det första biologiskt nedbrytbara genleveranssystemet som effektivt penetrerar den mänskliga luftvägsslembarriären i lungvävnad, " säger studieförfattaren Jung Soo Suk, Ph.D., en biomedicinsk ingenjör och fakultetsmedlem vid Center for Nanomedicine vid Wilmer Eye Institute vid Johns Hopkins. En rapport om arbetet dök upp i Proceedings of the National Academy of Sciences den 29 juni.
Slembarriären skyddar främmande material och bakterier från att komma in i och/eller infektera lungor. I friska lungor, inhalerat material fångas vanligtvis i luftvägsslem och svepas sedan bort från lungorna via flimmerhårens slagaktiviteter, eller liten, hårliknande hårstrån, till magen för att så småningom nedbrytas. Tyvärr, Suk anteckningar, denna väsentliga skyddsmekanism förhindrar också många inhalerade läkemedel, inklusive genbaserad medicin, från att nå sitt mål.
Hans teams experiment med mänskligt luftvägsslem och små djur, Suk tillägger, designades som en proof-of-concept-studie som visar att placering av korrigerande eller ersättningsgener eller läkemedel inuti en konstgjord biologiskt nedbrytbar nanopartikel-"omslag" som patienter andas in kan penetrera slembarriären och en dag användas för att behandla allvarliga lungsjukdomar. Vad mer, eftersom en enstaka dos teoretiskt kan pågå i flera månader, patienter skulle uppleva färre biverkningar som är vanliga för läkemedel som måste tas regelbundet under långa tidsperioder.
Suk säger att deras arbete med nanopartiklar växte fram ur misslyckade ansträngningar att leverera behandlingar till personer med lungsjukdomar. Hos patienter med CF, till exempel, de upplever en ansamling av överflödigt slem orsakat av nedsatt ciliärslag, vilket resulterar i en idealisk grogrund för kronisk bakterieinfektion och inflammation. Denna patogena process försämrar inte bara patienternas livskvalitet – och försätter ofta patienter i livshotande situationer – utan den gör också slem i luftvägarna svårare att övervinna av inhalerade terapeutiska nanopartiklar.
De flesta av de befintliga läkemedlen mot CF hjälper till att rensa infektioner men löser inte sjukdomens underliggande problem. Ett par nyligen godkända läkemedel som utformats för att rikta in sig på den underliggande orsaken till CF kräver daglig behandling under hela livet och kan bara gynna en delpopulation av patienter med specifika typer av mutationer. Men denna studie, Suk anteckningar, har visat att leverans av normala kopior av CF-relaterade gener eller korrigerande gener via de slempenetrerande DNA-laddade nanopartiklarna kan förmedla produktion av normala, "funktionella" proteiner på lång sikt. Detta kan så småningom bli en effektiv terapi för patienters lungor, oavsett mutationstyp.
Hittills, ingen har kunnat lista ut hur man effektivt levererar dessa gener till lungorna, Suk säger, noterar att experiment med inaktiverade virus för att bära dem har visat sig vara ineffektiva och dyra, och kan potentiellt leda till allvarliga biverkningar. Dessutom, kroppen kan utveckla resistens mot dessa virusbaserade leveranssystem, vilket gör leveransmekanismen omöjlig.
Alternativt många icke-virala, syntetiska system har testats i stor utsträckning. Dock, tidigare forskning hade visat att de flesta av de icke-virala, DNA-laddade nanopartiklar har positiv laddning som fick dem att fästa vid negativt laddade biologiska miljöer, i detta fall slemmet som täcker luftvägarna i lungorna. Med andra ord, konventionella nanopartiklar är för klibbiga för att undvika oönskade interaktioner utanför målet under sin resa mot målcellerna. Ytterligare, dessa partiklar tenderar att snabbt aggregera under fysiologiska förhållanden, gör dem för stora för att penetrera luftvägsslemhinnan.
För sin design, teamet utvecklade en enkel metod för att tätt belägga nanopartiklarna med en icke-klibbig polymer som kallas PEG, neutraliserade laddningen och skapade ett icke-klibbigt yttre. De visade att dessa nanopartiklar behöll sina storlekar i en fysiologisk miljö och är kapabla att snabbt penetrera mänskligt luftvägsslem som nyligen samlats in från patienter som besöker Johns Hopkins Adult Cystic Fibrosis Program, regisserat av Michael Boyle, en medförfattare till tidningen. Teamet gjorde också hela leveranssystemet biologiskt nedbrytbart så att det inte byggdes upp inuti kroppen.
För att testa om systemet ger effektiv genöverföring till djurens lungor, forskarna packade dem med en gen som gör ljusgenererande proteiner när de levereras till målcellerna. De visade att inhalerad leverans av generna via de slempenetrerande nanopartiklarna resulterade i utbredd produktion av proteinet till nivåer överlägsna guldstandarden, icke-virala plattformar, inklusive ett kliniskt testat system. Dessutom, de visade att de behandlade lungorna lyste upp till fyra månader efter en enda dosering.
"Med en dos, du kan få genuttryck, dvs. produktion av terapeutiska proteiner - i flera månader, "Suk säger, tillade att nanopartiklarna inte verkade visa några negativa effekter, såsom ökad lunginflammation.
Suk och hans team varnar för att fler djurstudier behövs för att bekräfta och förfina deras proof-of-concept-studie, och att behandling av mänskliga störningar med nanolindade terapier är år borta.
