Ett mikrofluidiskt chip som används för att tillverka nanopartiklar som kan användas för att leverera terapeutiska gener till specifika organ i kroppen. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
Använder små bitar av DNA som "streckkoder, " Forskare har utvecklat en ny teknik för att snabbt screena förmågan hos nanopartiklar att selektivt leverera terapeutiska gener till specifika organ i kroppen. Tekniken skulle kunna påskynda utvecklingen och användningen av genterapier för sådana mördare som hjärtsjukdomar, cancer och Parkinsons sjukdom.
Genetiska terapier, som de som är gjorda av DNA eller RNA, är svåra att leverera till rätt celler i kroppen. Under de senaste 20 åren, forskare har utvecklat nanopartiklar gjorda av ett brett spektrum av material och tillsatt föreningar som kolesterol för att hjälpa till att transportera dessa terapeutiska medel in i cellerna. Men den snabba utvecklingen av nanopartikelbärare har stött på en stor flaskhals:nanopartiklarna måste testas, först i cellkultur, innan ett mycket litet antal nanopartiklar testas på djur. Med miljontals möjliga kombinationer, Att identifiera den optimala nanopartikeln för att rikta in sig på varje organ var mycket ineffektivt.
Genom att använda DNA-strängar bara 58 nukleotider långa, forskare från University of Florida, Georgia Institute of Technology och Massachusetts Institute of Technology har utvecklat en ny testteknik som hoppar över cellkulturtestningen helt och hållet - och kan tillåta hundratals olika typer av nanopartiklar att testas samtidigt på bara en handfull djur.
Den ursprungliga forskningen gjordes i Robert Langers laboratorier, David H. Koch-institutets professor, och Daniel Andersson, Samuel A. Goldsmith professor i tillämpad biologi, vid MIT. Stöds av National Institutes of Health, forskningen rapporterades 6 februari i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Vi vill på en mycket hög nivå förstå vilka faktorer som påverkar nanopartikelleveransen som är viktiga, sa James Dahlman, en biträdande professor vid Wallace H. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University, en av Langers tidigare doktorander, huvudförfattare till studien, och en av tidningens motsvarande författare. "Denna nya teknik låter oss inte bara förstå vilka faktorer som är viktiga, men också hur sjukdomsfaktorer påverkar processen."
En närbild visar ett mikrofluidiskt chip som används för att tillverka nanopartiklar som kan användas för att leverera terapeutiska gener till specifika organ i kroppen. Färgade vätskor har tillsatts för att markera kanalerna. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
För att förbereda nanopartiklar för testning, forskarna infogar ett snutt av DNA som tilldelas varje typ av nanopartikel. Nanopartiklarna injiceras sedan i möss, vars organ sedan undersöks för närvaro av streckkoder. Genom att använda samma teknik som forskare använder för att sekvensera genomet, många nanopartiklar kan testas samtidigt, var och en identifieras med sin unika DNA-streckkod.
Forskare är inte bara intresserade av vilka nanopartiklar som levererar terapin mest effektivt, men också som kan leverera dem selektivt till specifika organ. Terapeutika riktade mot tumörer, till exempel, bör endast levereras till tumören och inte till omgivande vävnader. Terapeutiska medel för hjärtsjukdomar bör också selektivt ackumuleras i hjärtat.
Medan mycket av studien ägnades åt att demonstrera kontrollstrategier, forskarna testade hur 30 olika partiklar fördelades i åtta olika vävnader i en djurmodell. Denna nanopartikel inriktad på "värmekarta" visade att vissa partiklar inte togs upp alls, medan andra gick in i flera organ. Testet inkluderade nanopartiklar som tidigare visat sig selektivt komma in i lungor och lever, och resultaten av den nya tekniken överensstämde med vad som redan var känt om dessa nanopartiklar.
De enkelsträngade DNA-streckkodssekvenserna är ungefär lika stora som antisensoligonukleotider, mikroRNA och siRNA utvecklas för möjliga terapeutiska användningar. Andra genbaserade terapier är större, och ytterligare forskning skulle behövas för att avgöra om tekniken skulle kunna användas med dem. I den forskning som rapporterades denna vecka, nanopartiklarna användes inte för att leverera aktiva läkemedel, även om det skulle vara nästa steg på kort sikt.
"I framtida arbete, vi hoppas kunna göra tusen partiklar och istället för att utvärdera dem tre åt gången, vi hoppas kunna testa några hundra samtidigt, ", sa Dahlman. "Nanopartiklar kan vara mycket komplicerade eftersom för varje tillgängligt biomaterial, du kan göra flera hundra nanopartiklar av olika storlekar och med olika komponenter tillsatta."
James Dahlman, en biträdande professor vid Wallace H. Coulter Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University, har ett mikrofluidiskt chip som används för att tillverka nanopartiklar som kan användas för att leverera terapeutiska gener. Kredit:Rob Felt, Georgia Tech
När lovande nanopartiklar har identifierats med screeningen, de skulle utsättas för ytterligare tester för att verifiera deras förmåga att leverera terapeutika. Förutom att påskynda screening, den nya tekniken kan kräva färre djur – kanske inte mer än tre för varje uppsättning av nanopartiklar som testas.
Det finns några varningar med tekniken. För att undvika att nanopartiklar slås samman, endast strukturer som är stabila i vattenhaltiga miljöer kan testas. Endast giftfria nanopartiklar kan screenas, och forskare måste kontrollera för potentiell inflammation som genereras av det insatta DNA:t.
I Langer och Andersons laboratorium, Dahlman arbetade med Kevin Kauffman, som är kvar på MIT, och Eric Wang, nu biträdande professor vid University of Florida. Andra medförfattare till tidningen var Yiping Xing, Taylor Shaw, Faryal Mir och Chloe Dlott, som alla är på MIT.
"Nukleinsyraterapier har ett stort löfte för att behandla en rad allvarliga sjukdomar, ", sade Dahlman. "Vi hoppas att den här tekniken kommer att användas brett i fält, och att det i slutändan kommer att ge mer klarhet i hur dessa läkemedel påverkar celler - och hur vi kan få dem till rätt plats i kroppen."
