Ett omfattande experiment som testade immuneffekterna av en bred grupp av labbdesignade nukleinsyrananopartiklar fann inte en stark, enhetligt immunsvar, som förutspåtts. Istället, testerna hittade varierande och specifika svar från olika immunceller, beroende på varje partikels form och formulering, ett fynd som kan uppmuntra ytterligare studier av partiklarnas terapeutiska användning.

Dessutom, forskarna tror att de kan ha upptäckt ett "hjälpsystem" för att hantera immunsvar - ett molekylärt "alfabet" för att kommunicera med det mänskliga immunsystemet.

Fynden rapporterades nyligen av Enping Hong, Ankit Shah, och Marina Dobrovolskaia från Frederick Laboratory for Cancer Research, Emil Khisamutdinov från Ball State University och Justin Halman och Kirill Afonin från University of North Carolina i Charlotte i tidskriften Nanobokstäver .

Tanken har funnits ett tag att utvalda segment av RNA eller DNA skulle kunna användas terapeutiskt – terapeutiska nukleinsyror – för att påverka gen- eller cellfunktionen. Tyvärr, i kliniska prövningar har de flesta av dessa föreslagna terapeutiska molekyler visat sig ha en extrem bieffekt – de framkallade en stark, ofta dödlig reaktion från människokroppens immunceller.

På senare tid, nanoteknologer har föreslagit att designa självmonterande nanopartiklar med de potentiellt terapeutiska RNA- eller DNA-sekvenserna, kombinera effekterna av flera sekvenser till ett riktat läkemedel, ger flera effekter i en enda partikel, formas till olika designerformer – rutor, trianglar, kuber, och andra strukturer. Dessa potentiellt kraftfulla terapeutiska partiklar har dock gått långsamt att testa, eftersom forskare har teoretiserat att de sannolikt skulle ha samma "immunotoxiska" effekter som de naturliga nukleinsyrafragmenten.

Dock, några nanoforskare ifrågasatte om de förväntade immunreaktionerna nödvändigtvis skulle vara fallet på grund av komplexiteten i immunsystemets igenkänning och unika egenskaper som skapats genom att montera traditionella material till nanopartiklar av olika former och strukturer.

"Även om nukleinsyrananopartiklar är sammansatta av komponenter med känd immunologisk toxicitet, när du kombinerar dem och omformulerar dem, nanoformuleringen blir en helt annan best, sa Afonin, en av tidningens motsvarande författare.

"Våra resultat visade att medan vissa av förutsägelserna var korrekta, många hade helt fel, " noterade Afonin. "Du kan inte förutsäga immunotoxiciteten hos nukleinsyrananopartiklar enbart genom att analysera svaren på naturligt producerade DNA och RNA. Vi kom fram till några oväntade resultat."

För att testa partiklarnas immuntoxicitet och kanske hitta ledtrådar för de mekanismer som är involverade i immuncellssvar, Afonin och hans kollegor valde ut ett "bibliotek" med 25 olika DNA- eller RNA-nukleinsyrananopartiklar designade av forskare inom området, noggrant utvalda för att "ta upp alla möjliga kopplingar" mellan deras molekylära egenskaper och immunreaktioner. Biblioteket inkluderade ett representativt urval av plana (platta), klotformiga och fibrösa (strängliknande) partiklar, med olika storlekar och molekylvikter, samt skiljer sig åt i en mängd kritiska kemiska egenskaper. Partiklarna introducerades till immunceller (perifera mononukleära blodceller) från blodet från 60 unika mänskliga donatorer och övervakades för produktion av 29 olika cytokiner.

Detaljerna i fynden var avslöjande angående partiklarnas immuntoxicitet eftersom immunsvaret varierade. Men resultaten avslöjade också information om specifika beteenden hos olika immunceller.

En grundläggande upptäckt var att "nakna" nukleinsyrananopartiklar (obundna till andra biologiska molekyler) inte orsakade något immunsvar alls - eftersom, laget hittade, till skillnad från naturligt förekommande fragment av DNA eller RNA, de konstruerade partiklarna kunde inte komma in i någon immuncell utan någon form av "bärar"-molekyler som tillät deras inträde. Effektivt, rena nukleinsyrananopartiklar är "osynliga" för det mänskliga immunsystemet.

När partiklarna väl parades med en bärarmolekyl, dock, de kunde komma in i cellerna, och fick tydliga svar, som forskarna hoppades. "Frågan är när vi skickar denna partikel in i den mänskliga cellen, vad gör cellen, speciellt immuncellen, göra?" undrade Afonin. "Ser den en speciell form som ett hot?"

Resultaten visar att partikelstorlek, form, 3D-struktur (kuber, till exempel, jämfört med plana kvadrater), DNA eller RNA sammansättning, och den kemiska karaktären hos hur partiklarna sattes ihop ("connectivity") hade alla distinkta effekter på immunsvaret och på vilka immunceller som svarade.

Bland detaljerna som upptäcktes var upptäckten att partiklar som består av DNA tenderade att orsaka mindre immunsvar än RNA. RNA-ringar (platta strukturer) och RNA-fibrer orsakade mindre immunsvar än RNA-kuber (globulära strukturer). Mer i detalj, DNA cubes induced the cytokine production of type I interferons alpha and omega, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, och slutligen, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, till exempel.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."