En av de mest anmärkningsvärda framstegen inom biomedicinsk forskning har varit utvecklingen av mycket riktade genredigeringsmetoder som CRISPR som kan lägga till, avlägsna, eller ändra en gen i en cell med stor precision. Metoden testas redan eller används för behandling av patienter med sicklecellanemi och cancerformer som multipelt myelom och liposarkom, och idag, dess skapare Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna fick Nobelpriset i kemi.

Även om genredigering är anmärkningsvärt exakt när det gäller att hitta och förändra gener, det finns fortfarande inget sätt att rikta behandlingen till specifika platser i kroppen. De behandlingar som hittills testats innebär att blodstamceller eller T-celler från immunsystemet tas bort från kroppen för att modifiera dem, och sedan infundera dem tillbaka till en patient för att återuppliva blodomloppet eller återskapa ett immunsvar – en dyr och tidskrävande process.

Bygger på Charpentier och Doudnas prestationer, Tufts-forskare har för första gången utarbetat ett sätt att direkt leverera genredigeringspaket effektivt över blod-hjärnbarriären och in i specifika delar av hjärnan, in i immunsystemets celler, eller till specifika vävnader och organ i musmodeller. Dessa applikationer kan öppna upp en helt ny strategi för behandling av neurologiska tillstånd, samt cancer, smittsam sjukdom, och autoimmuna sjukdomar.

Ett team av Tufts biomedicinska ingenjörer, leds av docent Qiaobing Xu, försökte hitta ett sätt att paketera genredigerings-"kit" så att det kunde injiceras för att göra sitt arbete inuti kroppen på målceller, snarare än i ett labb.

De använde lipidnanopartiklar (LNP) - små "bubblor" av lipidmolekyler som kan omsluta redigeringsenzymerna och föra dem till specifika celler, vävnader, eller organ. Lipider är molekyler som inkluderar en lång kolsvans, vilket hjälper till att ge dem en "oljig" konsistens, och ett hydrofilt huvud, som attraheras av en vattnig miljö.

Det finns också vanligtvis ett kväve, svavel, eller syrebaserad länk mellan huvud och svans. Lipiderna ordnar sig runt bubblananopartiklarna med huvudena vända utåt och svansarna vända inåt mot mitten.

Xus team kunde modifiera ytan på dessa LNP så att de så småningom kan "fastna" till vissa celltyper, smälter samman med deras membran, och släpper ut de genredigerande enzymerna i cellerna för att utföra sitt arbete.

Att göra en riktad LNP kräver lite kemiskt hantverk.

Genom att skapa en blandning av olika huvuden, svansar, och länkar, forskarna kan screena – först i labbet – en mängd olika kandidater för deras förmåga att bilda LNP som riktar sig mot specifika celler. De bästa kandidaterna kan sedan testas i musmodeller, och modifieras ytterligare kemiskt för att optimera inriktning och leverans av de genredigerande enzymerna till samma celler i musen.

"Vi skapade en metod kring att skräddarsy leveranspaketet för ett brett utbud av potentiella terapier, inklusive genredigering, ", sa Xu. "Metoderna bygger på kombinatorisk kemi som används av läkemedelsindustrin för att utforma läkemedlen själva, men istället använder vi metoden för att designa komponenterna i leveransfordonet."

I en genialisk bit av kemisk modellering, Xu och hans team använde en signalsubstans i spetsen för vissa lipider för att hjälpa partiklarna att passera blod-hjärnbarriären, som annars skulle vara ogenomtränglig för molekylsammansättningar så stora som en LNP.

Förmågan att säkert och effektivt leverera läkemedel över barriären och in i hjärnan har varit en långvarig utmaning inom medicinen. I en första, Xus labb levererade ett helt komplex av budbärar-RNA och enzymer som utgör CRISPR-kitet till riktade områden i hjärnan hos ett levande djur.

Vissa små modifieringar av lipidlinkrarna och svansarna hjälpte till att skapa LNP:er som kunde leverera till hjärnan den lilla molekylen svampdödande läkemedlet amfotericin B (för behandling av meningit) och ett DNA-fragment som binder till och stänger av genen som producerar tau-proteinet kopplat till Alzheimers. sjukdom.

På senare tid, Xu och hans team har skapat LNP för att leverera genredigeringspaket till T-celler hos möss. T-celler kan hjälpa till att producera antikroppar, förstöra infekterade celler innan virus kan replikera och sprida sig, och reglerar och undertrycker andra celler i immunsystemet.

LNP:erna de skapade smälter samman med T-celler i mjälten eller levern - där de vanligtvis finns - för att leverera det genredigerande innehållet, som sedan kan förändra T-cellens molekylära sammansättning och beteende. Det är ett första steg i processen att inte bara träna immunförsvaret, som man kan göra med ett vaccin, men faktiskt konstruerar det för att bekämpa sjukdomar bättre.

Xus metod för att redigera T-cellsgenom är mycket mer målinriktad, effektiv, och sannolikt är säkrare än metoder som hittills prövats med hjälp av virus för att modifiera deras genom.

"Genom att rikta in sig på T-celler, vi kan utnyttja en gren av immunsystemet som har en enorm mångsidighet när det gäller att bekämpa infektioner, skydda mot cancer, och modulerar inflammation och autoimmunitet, " sa Xu.

Xu och hans team undersökte vidare mekanismen genom vilken LNP:er kan hitta vägen till sina mål i kroppen. I experiment riktade mot celler i lungorna, de fann att nanopartiklarna plockade upp specifika proteiner i blodomloppet efter injektion.

Proteinerna, nu införlivad i ytan av LNP, blev den huvudsakliga komponenten som hjälpte LNP att hålla fast vid sitt mål. Denna information kan hjälpa till att förbättra utformningen av framtida leveranspartiklar.

Även om dessa resultat har visats på möss, Xu varnade för att fler studier och kliniska prövningar kommer att behövas för att fastställa effektiviteten och säkerheten för leveransmetoden hos människor.