Forskare vid Johns Hopkins Medicine rapporterar att de har skapat en liten, behållare i nanostorlek som kan glida in i celler och leverera proteinbaserade mediciner och genterapier av alla storlekar – även rejäla sådana som är anslutna till genredigeringsverktyget CRISPR. Om deras skapelse - konstruerad av en biologiskt nedbrytbar polymer - klarar fler laboratorietester, det skulle kunna erbjuda ett sätt att effektivt transportera större medicinska föreningar till specifikt utvalda målceller.

En rapport om deras arbete visas i numret 6 december av Vetenskapens framsteg .

"De flesta mediciner sprids i kroppen på ett urskillningslöst sätt och riktar sig inte mot en specifik cell, " säger den biomedicinska ingenjören Jordan Green, Ph.D., ledare för forskargruppen. "Vissa mediciner, som antikroppar, fästa vid mål på cellens ytreceptorer, men vi har inga bra system för att leverera biologiska läkemedel direkt till insidan av en cell, det är där terapier skulle ha störst chans att fungera korrekt och med färre biverkningar."

Många akademiska och kommersiella forskare har länge sökt bättre transitsystem för terapier, säger Green, professor i biomedicinsk teknik, oftalmologi, onkologi, neurokirurgi, materialvetenskap och teknik, och kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid Johns Hopkins University School of Medicine, och medlem av Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy vid Johns Hopkins.

Vissa kommersiellt tillgängliga tekniker använder avskalade former av virus - kända för sin förmåga att "infektera" celler direkt - för att leverera terapier, även om de icke-infektiösa versionerna av dessa leveranssystem kan släppa lös ett oönskat immunsystemsvar. Andra terapier riktade mot sjuka blodkroppar, till exempel, är mer besvärliga, kräver att patienternas blod avlägsnas, sedan zappade med en elektrisk ström som öppnar porer i cellmembranet för att komma in.

Behållaren i nanostorlek som Green och hans team utvecklade på Johns Hopkins lånar en idé från virusens egenskaper, många av dem är nästan sfäriska till formen och bär både negativa och positiva laddningar. Med en mer neutral totalladdning, virus kan komma nära celler. Det är inte fallet med många biologiska läkemedel, som består av högt laddade, stora proteiner och nukleinsyror som tenderar att stöta bort celler.

För att övervinna detta, Doktorand Yuan Rui utvecklade ett nytt biologiskt nedbrytbart polymermaterial. Polymer är den allmänna termen för ett ämne som består av många molekyler. För att göra polymeren, Rui trädde ihop – som grenarna på ett träd – fyra komponentmolekyler som, över tid, bryts ner och löses i vatten. Molekylerna innehåller både positiva och negativa laddningar.

Med en balans av positiva och negativa laddningar, molekylerna trycker och drar enligt sin laddning och deras väteatomer binder med en biologisk terapi i närheten. Resultatet är en nanostruktur som innehåller den biologiska terapin.

Behållarens positiva laddningar i nanostorlek interagerar med membranet i en cell, och behållaren är uppslukad av en cellulär förpackning som kallas endosom.

Väl inne, behållaren i nanostorlek bryter upp endosomen, och polymererna bryts ned, lämnar läkemedlet att verka inuti cellen.

För att testa deras uppfinning, Rui gjorde en nanobehållare av ett litet protein och matade det till musnjurceller i odlingsskålar. Hon fäste en grön fluorescerande tagg på det lilla proteinet och såg ljusgröna stänk genom de flesta cellerna, vilket indikerar att proteinet levererades framgångsrikt.

Sedan, Rui packade ett större protein:humant immunglobulin, en terapi som vanligtvis används för att stärka immunförsvaret och en modell för antikroppsterapier. Den här gången, hon fann att 90 % av njurcellerna hon behandlade lyste upp med den gröna fluorescerande taggen fäst vid immunglobulinet.

"När nanopartiklar kommer in i en cell, de blir ofta sekvestrerade i endosomer, som försämrar dess innehåll, men våra experiment visar att proteinpaketen är jämnt spridda över de flesta cellerna och inte satt fast i endosomerna, säger Rui.

För en ännu större utmaning, Rui skapade ett nanopaket innehållande ett CRISPR-baserat protein- och nukleinsyrakomplex som kunde stänga av en grön fluorescenssignal eller få cellerna att lysa rött när CRISPR-föreningen skär en del av en cells genom. Forskarna såg att genredigeringen för att inaktivera en gen fungerade i upp till 77 % av cellerna som odlades i laboratoriet och för att lägga till eller reparera en gen i cirka 4 % av cellerna.

"Det är ganska effektivt med tanke på med andra genredigeringssystem, du kan få rätt genskärningsresultat mindre än 10 procent av gångerna, " sa Rui. CRISPR-baserade terapier har potential att göra mediciner mycket mer exakta med sin förmåga att exakt rikta in sig på genetiska brister som bidrar till sjukdom. Vissa CRISPR-terapier testas i kliniska prövningar.

I ett sista experiment, Rui och hennes kollegor implanterade hjärncancerceller i hjärnan på möss. Hon injicerade nanobehållarna med genredigeringskomponenter direkt i musens hjärnor och analyserade deras celler för ett rött sken som indikerar framgångsrik genredigering. Hon hittade hjärncancerceller som lyste rött flera millimeter bort från där hon injicerade dem.

"När jag började det här projektet för fem år sedan, forskare trodde inte att man kunde använda något annat än ett virus för att leverera dessa terapier till celler, " säger Rui. "Att utveckla ny teknik kan hjälpa oss att förstå mer om sjukdomar, men också mer om att göra nya läkemedel."

Rui och Green försöker göra nanobehållarna mer stabila så att de kan injiceras i blodomloppet och riktas mot celler med vissa genetiska signaturer.

Forskarna ansöker om patent relaterade till detta arbete.