UCLA-forskare har utvecklat en ny metod som använder mikroskopiska splinterliknande strukturer som kallas "nanospears" för riktad leverans av biomolekyler som gener direkt till patientceller. Dessa magnetiskt styrda nanostrukturer kan möjliggöra genterapier som är säkrare, snabbare och mer kostnadseffektivt.

Forskningen publicerades i tidskriften ACS Nano av seniorförfattaren Paul Weiss, UC presidentordförande och framstående professor i kemi och biokemi, materialvetenskap och teknik, och medlem av Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research vid UCLA.

Genterapi, processen att lägga till eller ersätta saknade eller defekta gener i patientceller, har visat stort löfte som behandling för en mängd sjukdomar, inklusive hemofili, muskeldystrofi, immunbrister och vissa typer av cancer.

Nuvarande genterapimetoder är beroende av modifierade virus, externa elektriska fält eller hårda kemikalier för att tränga igenom cellmembran och leverera gener direkt till patientceller. Var och en av dessa metoder har sina egna brister; de kan bli dyra, ineffektiv eller orsaka oönskad stress och toxicitet för celler.

För att övervinna dessa hinder, Weiss och Dr Steven Jonas, en klinisk stipendiat i UCLA Broad Stem Cell Research Center Training Program, ledde ett forskargrupp som utformade nanospears bestående av kisel, nickel och guld. Dessa nanospears är biologiskt nedbrytbara, kan massproduceras billigt och effektivt, och, på grund av deras oändliga storlek - deras tips är cirka 5, 000 gånger mindre än diametern på en hårstrå - de kan leverera genetisk information med minimal påverkan på cellens livskraft och metabolism.

Jonas jämförde den banbrytande biomolekylleveransmetoden med verkliga leveransmetoder som dyker upp i horisonten.

"Precis som vi hör om att Amazon vill leverera paket direkt till ditt hus med drönare, vi arbetar med en nanoskala motsvarande för att leverera viktiga sjukvårdspaket direkt till dina celler, "förklarade Jonas, som utbildar sig i avdelningen för pediatrisk hematologi/onkologi vid UCLA Mattel Children's Hospital. Inom en snar framtid, Jonas hoppas kunna tillämpa nanoteknik för att distribuera cell- och genterapier snabbt och brett till de barncancerpatienter han behandlar.

Konstruktionen av nanospears inspirerades av deras samarbetspartners arbete, Hsian-Rong Tseng, professor i molekylär och medicinsk farmakologi, och Xiaobin Xu, en postdoktor i Weiss tvärvetenskapliga forskargrupp. Tseng och Xu är båda medförfattare till studien.

"Baserat på Xiaobins nanotillverkningsarbete, vi visste hur man gör nanostrukturer av olika former i massiva antal med hjälp av enkla tillverkningsstrategier, "sa Weiss, som också är medlem i California NanoSystems Institute. "När vi väl hade det i handen, vi insåg att vi kunde skapa exakta strukturer som skulle vara av värde vid genterapier. "

Weiss och Jonas är inte de första som tänker sig att använda guidade nanostrukturer eller robotiska "nanomotorer" för att förbättra genterapier, existerande metoder har dock begränsad precision och kräver potentiellt giftiga kemikalier för att driva strukturerna till sina mål.

Genom att belägga sina nanospears med nickel, Weiss och Jonas eliminerade behovet av kemiska drivmedel. En magnet kan hållas nära en skål som innehåller celler för att manipulera riktningen, position och rotation av en eller flera nanospears. I framtiden, Weiss och Jonas föreställer sig att ett magnetfält kan appliceras utanför människokroppen för att fjärranleda nanospår inom kroppen för att behandla genetiska sjukdomar.

Weiss och Jonas testade sina nanospears som bärare för en gen som får celler att producera ett grönt fluorescerande protein. Cirka 80 procent av målcellerna uppvisade en ljusgrön sken, och 90 procent av dessa celler överlevde. Båda siffrorna är en markant förbättring av befintliga leveransstrategier.

Ungefär som genterapi, många former av immunterapi-en process där patientspecifika immunceller är genetiskt konstruerade för att känna igen och attackera cancerceller-förlitar sig på dyra eller tidskrävande behandlingsmetoder.

"Den största barriären just nu för att antingen få genterapi eller immunterapi till patienter är behandlingstiden, "Sa Jonas." Nya metoder för att generera dessa terapier snabbare, effektivt och säkert kommer att påskynda innovation inom detta forskningsområde och ge dessa terapier till patienter tidigare, och det är målet vi alla har. "

Weiss och Jonas har samarbetat med UCLA -forskare för att optimera leveransen av genterapistrategier som länge varit på gång.

"En av de fantastiska sakerna med att arbeta på UCLA är att för var och en av de riktade sjukdomarna, vi samarbetar med ledande kliniker som redan har genterapier under utveckling, "Weiss sa." De har genredigeringslasten, modellceller, djurmodeller och patientceller på plats så att vi kan optimera våra nanosystem på metoder som finns på vägen till kliniken. "