Den första direkta jämförelsen av screeningtekniker in vitro och in vivo för att identifiera nanopartiklar som kan användas för att transportera terapeutiska molekyler in i celler visar att testning i labbrätter inte är mycket hjälp för att förutsäga vilka nanopartiklar som framgångsrikt kommer in i cellerna hos levande djur.

Den nya studien visade fördelarna med en in vivo DNA-streckkodningsteknik, som fäster små bitar av DNA till olika lipidbaserade nanopartiklar som sedan injiceras i levande djur; mer än hundra nanopartiklar kan testas på ett enda djur. DNA-sekvenseringstekniker används sedan för att identifiera vilka nanopartiklar som kommer in i cellerna i specifika organ, gör partiklarna till kandidater för att transportera genterapier för att behandla sådana mördare som hjärtsjukdomar, cancer och Parkinsons sjukdom.

Den traditionella tekniken för att identifiera lovande nanopartiklar undersöker hur partiklarna kommer in i levande celler som förvaras i labbskålar. För att jämföra de nya och gamla screeningsteknikerna, forskarna lade till streckkodade nanopartiklar till levande celler i labbrätter, och injicerade identiska streckkodade nanopartiklar i levande djurmodeller. De hittade nästan ingen korrelation mellan nanopartiklarna som identifierades som lovande i laboratorietester och de som faktiskt fungerade bra i mössen.

"DNA-streckkodning har potential att främja vetenskapen om att välja nanopartiklar för att leverera genterapier, sa James Dahlman, en biträdande professor vid Wallace H. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University och studiens huvudutredare. "Med den här tekniken, företag och akademiska labb skulle kunna plocka ut lovande nanopartiklar mycket mer effektivt. Det kan påskynda hastigheten med vilken nanopartikelbaserade terapier flyttar in på kliniken, samtidigt som man minskar mängden djurförsök som krävs."

Forskningen, som stöds av National Institutes of Health, cancerforskningsinstitutet, Cystic Fibrosis Foundation och Parkinsons Disease Foundation, rapporterades 28 februari i tidskriften Nanobokstäver . Forskningen utfördes av forskare från Georgia Institute of Technology och Emory University.

Genetiska terapier, som de som är gjorda av DNA eller RNA, står inför utmaningar på grund av svårigheten att leverera nukleinsyran till rätt celler. Under de senaste två decennierna, 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 utvecklingen av nanopartikelbärare har bromsats av utmaningarna med att testa dem, först i cellkultur för att identifiera lovande nanopartiklar, och senare hos djur. Med miljontals möjliga kombinationer, Det har varit överväldigande att identifiera de optimala nanopartiklarna för att rikta in sig på varje organ.

Genom att använda DNA-strängar som bara är 58 nukleotider långa för att unikt identifiera varje partikel tillåter forskare att hoppa över cellkulturscreeningen helt och hållet - och testa hundra eller fler olika typer av nanopartiklar samtidigt i bara en handfull djur.

"Om du ville testa 200 nanopartiklar på traditionellt sätt, du skulle behöva 600 möss – tre för varje typ av nanopartikel, " sa Dahlman. "Med hjälp av DNA-streckkodningstekniken, som vi kallar Joint Rapid DNA Analysis of Nanopartiklar (JORDANIEN), vi kan göra testerna på bara tre djur."

Studien undersökte nanopartikelinträde i endotelceller och makrofager för in vitro-studien, och samma typ av celler från lungan, hjärta och benmärg för in vivo-komponenten. De två celltyperna är viktiga för ett brett spektrum av organsystem i kroppen och spelar aktiva roller i sjukdomar som kan vara mål för nukleinsyraterapier. Studien jämförde hur samma 281 lipidnanopartiklar levererade streckkoderna i labbrätter och levande djur.

"Det fanns ingen prediktiv förmåga mellan laboratorietester och djurförsök, ", sa Dahlman. "Om in vitro-testerna hade varit bra prediktorer, då skulle partiklar som klarade sig bra i skålen också ha klarat sig bra i djuren, och partiklar som klarade sig dåligt i skålen skulle också ha klarat sig dåligt hos djuren. Det såg vi inte alls."

Forskargruppen, ledd av förstaförfattarna Kalina Paunovska och Cory D. Sago, studerade också hur nanopartikelleverans förändras med mikromiljön hos specifika vävnadstyper. För det, de kvantifierade hur 85 nanopartiklar levererade DNA-streckkoder till åtta cellpopulationer i mjälten, och fann att celltyper härledda från myeloida stamceller tenderade att vara målinriktade av liknande nanopartiklar.

Forskare är inte bara intresserade av vilka nanopartiklar som levererar terapin mest effektivt, men också som kan leverera dem selektivt till specifika organ. Terapeutik riktad mot tumörer, till exempel, bör endast levereras till tumören och inte till omgivande vävnader. Terapeutika för hjärtsjukdomar bör också selektivt ackumuleras i hjärtat.

De enkelsträngade DNA-streckkodsekvenserna som används i tekniken 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.

När de lovande nanopartiklarna har identifierats med screeningen, de skulle utsättas för ytterligare tester för att verifiera deras förmåga att leverera terapeutika. För att undvika möjligheten att nanopartiklar smälter samman, endast strukturer som är stabila i vattenhaltiga miljöer kan testas med denna teknik. Endast giftfria nanopartiklar kan screenas, och forskare måste kontrollera för potentiell inflammation som genereras av det insatta DNA:t.

"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."