Under de senaste åren har cell- och genterapier visat ett betydande löfte för behandling av cancer, cystisk fibros, diabetes, hjärtsjukdomar, HIV/AIDS och andra svårbehandlade sjukdomar. Men bristen på effektiva sätt att leverera biologiska behandlingar till kroppen har utgjort ett stort hinder för att föra ut dessa nya behandlingar till marknaden – och i slutändan till de patienter som behöver dem mest.
Nu har syntetiska biologer från Northwestern University utvecklat en flexibel ny plattform som löser en del av detta skrämmande leveransproblem. Leveranssystemet efterliknar naturliga processer som används av virus och binder till målceller och överför effektivt läkemedel inuti.
Arbetshästarna bakom denna nya plattform är extracellulära vesiklar (EV) – små nanopartiklar i virusstorlek som alla celler redan producerar naturligt. I den nya studien använde forskare det kraftfulla tillvägagångssättet för syntetisk biologi för att bygga DNA-"program" som - när de sätts in i "producerande" celler - styr dessa celler att självmontera anpassade elbilar med användbara ytfunktioner. Programmen styr också celler att producera och ladda elbilarna med biologiska läkemedel.
I proof-of-concept-experiment levererade partiklarna framgångsrikt biologiska läkemedel – i det här fallet CRISPR-genredigeringsmedel som slog ut en receptor som används av HIV – till T-celler, som är notoriskt svåra att rikta in sig på. Forskarna antar också att systemet ska fungera för många läkemedel och många typer av celler.
Forskningen publicerades idag (27 november) i tidskriften Nature Biomedical Engineering . Det är den första studien som framgångsrikt använder elbilar för att leverera last till T-celler.
"Genomikrevolutionen har förändrat vår förståelse av de molekylära baserna för många sjukdomar, men dessa insikter har inte resulterat i nya läkemedel av en grundläggande anledning:Vi saknar den teknologi som behövs för att leverera riktade läkemedel till specifika platser i kroppen där de behövs, " sa Northwesterns Joshua N. Leonard, som ledde studien.
"Dessa delade leveransutmaningar håller oss tillbaka. Genom att göra brett möjliggörande leveransplattformar tillgängliga kan vi ta bort en enorm mängd risker och kostnader från att ta nya läkemedel till kliniska prövningar eller till marknaden. Istället för att designa ett nytt leveranssystem varje gång ett företag gör ett nytt läkemedel hoppas vi att de istället kan använda modulära, omkonfigurerbara plattformar som vår, och på så sätt accelerera hastigheten med vilken gen- och cellterapier utvecklas och utvärderas."
Genom att ersätta felaktiga gener eller leverera friska nya gener eller celler till en patient, lovar gen- och cellterapier för att behandla ett brett spektrum av sjukdomar. Med hjälp av en leveransvehikel kommer genterapier in i kroppen för att överföra genetiskt material till specifika celler för att behandla eller förebygga sjukdomar. Cellterapier använder ett liknande tillvägagångssätt men överför hela celler, som vanligtvis modifieras utanför kroppen innan de administreras.
I de mest framgångsrika fallen har virala vektorer - som använder delar som härrör från virus men inte kan orsaka en infektion - fungerat som leveransmekanism för både cell- och genterapi. Men denna strategi kommer med begränsningar. Immunsystemet känner ibland igen virusdelar som främmande och blockerar sådana vektorer innan de levererar sin last.
"Virus har en naturlig förmåga att komma in i celler och leverera last," sa Leonard. "Att låna virala delar är en effektiv strategi för att uppnå leverans, men då är du något begränsad till de typer av leverans som viruset utvecklades för att göra. Det krävs betydande ingenjörsarbete för att justera dessa system för att ändra deras funktioner för varje applikation. I den här historien , vi försökte istället efterlikna strategin som virus har utvecklats, men vi använde nya biologiska "delar" för att övervinna vissa begränsningar hos virala vektorer och i slutändan göra nya funktioner möjliga."
För att designa ett multifunktionellt fordon tittade forskarna på elbilar, som Leonard beskrev som "ett blankt blad." I alla levande varelser (från jäst till växter till människor) avger celler naturligt elbilar, vilket forskare tror spelar en viktig roll i kommunikationen mellan celler och naturliga processer såsom immunfunktion.
"Dessa partiklar släpps ut och tas upp av celler hela tiden - i både friska och sjukdomsprocesser," sa Leonard. "Vi vet till exempel att cancerceller avger elbilar, och det verkar vara en del av den process genom vilken cancer sprids från en plats till en annan. Å andra sidan överför elbilar också prover av invaderande patogener från infekterade celler till immunceller , hjälpa kroppen att ge ett effektivt svar."
För Leonards EV-baserade plattform utvecklade och syntetiserade hans team anpassade DNA-molekyler som introducerades i en producentcell. DNA:t tillhandahöll instruktioner för producentcellen att producera nya biomolekyler och sedan ladda dessa molekyler på ytan och inuti det inre av elbilar. Detta genererade effektivt elbilar utsmyckade med specifikt designade egenskaper – och last som redan finns på släp.
"Vi behandlar elbilar som produceras av celler som i huvudsak tomma blad där vi kan skapa nya funktioner genom att konstruera dessa producentceller för att uttrycka konstruerade eller naturliga proteiner och nukleinsyror," sa Leonard. "Dessa förändrar EV-funktionen och kan omfatta bioaktiv, terapeutisk last."
För att lyckas måste elbilarna rikta in sig på rätt celler, överföra sin last till dessa celler och undvika biverkningar – allt samtidigt som man undviker patientens alltid vaksamma immunsystem. Jämfört med virus är elbilar sannolikt mer kapabla att undvika avstötning av immunsystemet. Eftersom elbilar kan tillverkas med material som till stor del finns i en patients egna celler, är det mindre sannolikt att kroppen behandlar partiklarna som ett främmande ämne.
För att testa konceptet tittade Leonard och hans team på ett attraktivt men ändå envist mål:T-celler. Eftersom T-celler naturligtvis hjälper kroppen att bekämpa bakterier och sjukdomar, har forskare försökt förbättra T-cellers naturliga förmåga för immunterapiapplikationer.
"De flesta celler provar ständigt små bitar av sin miljö", säger studiens huvudförfattare Devin Stranford, en examen från Leonards labb och nu en vetenskapsman vid Syenex. "Men, oavsett anledning, gör inte T-celler det så mycket. Därför är det utmanande att leverera läkemedel till T-celler eftersom de inte aktivt kommer att ta upp dem. Du måste ha rätt biologi för dessa leveranshändelser att inträffa."
I experimenten konstruerade forskarna en produktionscell för att generera elbilar laddade med Cas9, ett protein som är en del av CRISPR-systemet, parat med en konstruerad RNA-molekyl för att styra den att känna igen och ändra en specifik sekvens av DNA i en cells genom. Forskarna introducerade de modifierade elbilarna i en kultur av T-celler. Elbilarna band effektivt till T-cellerna och levererade framgångsrikt sin last, vilket ledde till en genetisk redigering som inaktiverade genen som kodar för en receptor som används av HIV för att infektera T-celler. Även om behandling av HIV-infektioner inte var ett omedelbart mål för detta projekt, illustrerar detta arbete ändå det löftet och visar vilka typer av nya terapeutiska funktioner som tekniken möjliggör.
"Ett viktigt mål med detta arbete var att använda rigorösa metoder för att säkerställa att lasten kom hela vägen dit den behövde gå", sa Leonard. "Eftersom vi gör redigeringar av dessa cellers genom kan vi använda kraftfulla tekniker som nästa generations sekvensering för att bekräfta att de exakta redigeringarna fanns i mottagarcellerna, på den plats där genomet var avsett."
Den nya plattformen, som kallas GEMINI (Genetiskt kodade multifunktionella integrerade nanovesicles), representerar en svit av teknologier för genetiskt modifierade celler för att producera multifunktionella elbilar för att möta olika patientbehov.
"Beroende på behandlingen kan man behöva en miljard elbilar," sa han. "Men eftersom de är så små är det faktiskt en liten mängd material. Andra har redan visat att elbilar kan produceras på kliniskt översättbara sätt i kommersiell skala. En speciell fördel med att biologiskt koda EV-funktioner, som vi har, är faktiskt att all komplexitet går till att konstruera DNA-programmen När det är gjort är sådana processer lätt kompatibla med mogna, befintliga tillverkningsmetoder."
Genom Syenex hoppas Leonard kunna använda GEMINI-plattformen, tillsammans med andra syntetiska biologiska teknologier, för att snabbt generera de bästa leveransfordon som gör det möjligt för utvecklare – allt från akademiska spinouter till mogna bioteknikföretag – att designa nya, livsförändrande celler och gener terapier.
"Genom att demonstrera förmågan att genetiskt koda last- och ytsammansättningar av nanovesiklar med GEMINI-plattformen kan vi förvandla ett hårt biologiskt problem till ett lättare DNA-tekniskt problem," sa Leonard. "Det gör det möjligt för oss att utnyttja de pågående exponentiella förbättringarna av DNA-syntes och -sekvensering som har drivit tillväxten av syntetisk biologi. Vi är optimistiska att dessa tillvägagångssätt kommer att göra det möjligt för forskare att lösa de stora leveransutmaningarna och utveckla nya och förbättrade behandlingar som gynnar en bred antal patienter."
Mer information: Devin M. Stranford et al, genetisk kodning av flera funktioner i extracellulära vesiklar för målinriktad leverans av biologiska läkemedel till T-celler, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI:10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x
Journalinformation: Nature Biomedical Engineering
Tillhandahålls av Northwestern University
