Steroidbaserade inhalatorer ger livräddande mediciner till miljontals astmasjuka, ger lättnad och förmågan att helt enkelt andas. Tyvärr, inhalatorer fungerar inte för alla patienter, och med stigande siffror för en sjukdom som leder till hundratusentals dödsfall över hela världen varje år, nya astmabehandlingar och strategier behövs.

Ett team av UConn-forskare – inklusive biträdande professor i kemi vid College of Liberal Arts and Sciences Jessica Rouge och docent i patobiologi vid College of Agriculture, Hälsa, och naturresurser Steven Szczepanek—samarbetar för att utveckla nya astmaterapier med hjälp av gen-tysta nanokapslar i ett försök att hjälpa patienter som inte drar nytta av befintliga behandlingar. Deras forskning publicerades i ACS Nano .

"När man behandlar astma, många människor tänker på småmolekylära antiinflammatoriska läkemedel som vägen att gå, men det finns gott om patienter som har astma som inte svarar på kortikosteroider, " säger Rouge. "Det finns ett ouppfyllt behov av att skapa olika terapier som kan dämpa astma för denna grupp människor."

Rouges forskargrupp, inklusive medförfattare Ph.D. student Shraddha Sawant och Alyssa Hartmann '20 Ph.D., designar nanomaterial och riktade terapier som levererar genljudande meddelanden till celler. Detta dokument beskriver en nukleinsyrananokapsel (NAN) utformad för att selektivt leverera ett enzym, kallas ett DNAzyme, att tysta en del av immunsvaret, kallas GATA-3, som leder till överuttryck av immunkomponenter som spelar en betydande roll vid allergiska astmaanfall.

Szczepanek förklarar att det finns olika typer av astma, och denna teknologi är utformad för att behandla allergisk astma specifikt, vilket utgör cirka 50 % av fallen hos vuxna och 90 % hos barn. GATA-3-baserade behandlingar visar redan lovande i kliniska prövningar, och Rouge säger att genom att para ihop sekvensen med nanoteknik, de hoppas kunna tillhandahålla mer effektiva metoder för leverans och behandling direkt till inflammationskällan.

"När du använder nanomaterial, vi försöker administrera terapin på ett sätt som kan tillåta oss att använda mindre material för att få en större effekt, " säger Rouge.

Deras system är baserat på ytaktiva ämnen som sätts samman till miceller, liknar små bubblor, och sker i en stegvis process, vilket resulterar i att var och en är cirka 60 nanometer stor.

"Först, vi syntetiserar något som kallas ett ytaktivt ämne, det är ungefär som tvål och bildar i huvudsak en bubbla i nanoskala. Sedan modifierar vi den här bubblans ytkemi så att den kan konjugera eller ansluta till DNA. Nästa steg, och vad som är unikt för vårt labb, använder vi enzymer för att bygga nästa del för att fästa DNA-sekvensen som i huvudsak klyver mRNA som kodar för GATA-3, säger Rouge.

Nanokaspulerna karakteriserades sedan och kontrollerades om de kunde klyva nukleinsyramålcellinjerna in vitro och resultaten var lovande.

"Vi visade att dessa genljudande sekvenser levererades effektivt med vår formulering och vi såg att de slog ner det intressanta genmålet. Det var ett spännande första steg, säger Rouge.

Rouge tog med sig uppgifterna till Szczepanek för att se om hans forskargrupp, inklusive medförfattare och doktorander Tyler Gavitt '21 Ph.D. och Arlind Mara '21 Ph.D., som studerar respiratoriska patogener och sjukdomspatologi, skulle vara intresserade av att samarbeta om nästa steg i forskningen för att se hur tekniken fungerade in vivo och om den kan vara av klinisk relevans.

Efter att ha studerat astma som en del av sin postdoktorala forskning, och med sitt labb utrustat för att ta nästa steg, Szczepanek säger att samarbetet passade naturligt.

"Jag trodde att den här genljudsteknologin var en fantastisk applikation för astmabehandling."

Forskarna testade GATA-3 DNAzyme-NAN-effekten i en musmodell för allergisk astma som är känslig för husdammskvalster. Resultaten visade att lungorna hos möss behandlade med NAN hade mindre inflammatorisk skada jämfört med den obehandlade kontrollgruppen. Behandlingen minskade också förekomsten av inflammatoriska immunceller, kallas eosinofiler, som bidrar till luftvägsobstruktion (se sidofältet).

"Vi såg inte bara en avsevärd minskning av astmafenotyper i vår musmodell, men vi testade GATA-3 DNAzyme-NAN i mänskliga vita blodkroppar och såg både upptag av nanopartiklar och nedbrytning av uttrycket av genen av intresse. Denna kombination av data gör mig verkligen hoppfull om nanopartiklarnas translationella potential för människors hälsa, säger Szczepanek.

Rouge påpekar en annan viktig detalj:"Allmänt sett, när vi lägger nanopartiklar i våra lungor, du kanske tror att de kan orsaka inflammation. Dock, vi var verkligen glada över att vid doser vi använde, nanobäraren ensam orsakade inte inflammation."

"Jag tror att vår unika nanokonstruktion har ett stort löfte inom området för oligonukleotidleverans, " säger Sawant. "Jag är glad att få vara en del av denna forskningssamverkan eftersom den markerar början på utvecklingen av NAN som en effektiv in vivo nanobärare."

Rouge säger att nästa steg är att förhoppningsvis få NIH-finansiering för att fortsätta forskningen:"Vi vill ta reda på, Vart tar dessa nanokapslar vägen? Vi måste göra en biodistributionsstudie och andra logiska nästa steg, som farmakokinetik och att bestämma hur länge dessa terapeutiska medel varar i en organism."

Forskarna fick nyligen patent på nanokapselformuleringen, och de hoppas kunna kommersialisera det. Szczepanek förklarar att teamet tänker sig att, så småningom, tekniken kan levereras till patienten via en inhalator, som nuvarande astmamediciner är och, beroende på exakt hur det är formulerat, att det skulle kunna rikta in sig på aktiv inflammation eller fungera som en profylaktisk åtgärd. Rouge tillägger att denna teknik har potential att vara anpassningsbar.

"Det stora temat är att olika människor reagerar olika på sjukdomar i allmänhet, så det finns potential för personlig medicin. Vi ser mot ett paradigmskifte för om du känner till någons genetik när det gäller intensiteten eller överuttrycket av en viss gen eller om den är uppreglerad, vi skulle kunna behandla det eller åtminstone trycka ner det."

Vad orsakar ett astmaanfall?

Szczepanek förklarar att allergisk astma uppstår när immunförsvaret blir sensibiliserat för något som finns allestädes närvarande och i allmänhet ofarligt i miljön, som husdammskvalster.

"Sensibilisering trycker in minneskomponenten i våra T-celler till vad som kallas en Th2-fenotyp. T-celler är en del av vårt adaptiva immunsystem som "minns" tidigare exponering för en stimulans som vi var tvungna att montera ett immunsvar mot. Vanligtvis är dessa bakterier och virus, vilket är bra, eftersom vi vill minnas patogener som influensa, till exempel. Men det är inte bra när du sätter upp ett immunsvar mot damm som finns i luften hela tiden, eftersom det kan leda till några ganska allvarliga biverkningar."

Utfall och svårighetsgrad varierar från person till person, säger Szczepanek.

"Vi ser inflammation i luftvägarna till följd av att fler immunceller tar sig in i luftrummen, och det kommer att göra luftvägarna mindre. Dessa celler aktiverar bägareceller i luftvägarna, vilka är celler som producerar slem och när du hyperaktiverar dessa bägareceller, du får massor av slem som går in i luftvägarna som redan är inflammerade och därför sammandragande. Det skapar mer och mer problem och minskar förmågan för en astmatiker att andas under en astmaanfall. Och så till sist, du får också bronkokonstriktion, vilket händer när lagret av glatt muskulatur som omger bronkiolerna i lungorna drar ihop sig. Det är ett betydande folkhälsoproblem eftersom en mycket stor del av befolkningen är mottagliga för att utveckla astma."