Los ingenieros de Penn han modificado las nanopartículas lipídicas (LNP), la tecnología revolucionaria detrás de las vacunas de ARNm contra la COVID-19, no solo para cruzar la barrera hematoencefálica (BBB), sino también para apuntar a tipos de células específicas, incluidas las neuronas. El avance marca un paso importante hacia posibles tratamientos de próxima generación para enfermedades neurológicas como el Alzheimer y el Parkinson.
En un nuevo periódico nano letraLos investigadores muestran cómo los péptidos (cadenas cortas de aminoácidos) pueden actuar como moléculas objetivo específicas, permitiendo a las LNP entregar ARNm específicamente a las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos del cerebro, así como a las neuronas.
Esto representa un avance importante en la administración de ARNm a tipos de células que desempeñan un papel importante en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas; Cualquier tratamiento de este tipo debería garantizar que el ARNm llegue a la ubicación correcta. Trabajos anteriores de los mismos investigadores demostraron que las LNP podían cruzar la BHE y entregar ARNm al cerebro, pero las LNP no intentaron controlar a qué células se dirigían.
“Nuestro primer artículo fue una prueba de concepto de diseño de nanopartículas lipídicas”, dijo Michael J. Mitchell, profesor asociado de bioingeniería (BE) y autor principal del artículo. “Era como demostrar que podíamos enviar un paquete desde Pensilvania a California, pero no teníamos idea de dónde terminaría en California. Ahora, con los péptidos, podemos dirigir el paquete a destinos específicos con características compartidas, como el rojo con cada casa.
El desafío de acceder al cerebro
Cruzar la BHE es difícil porque la estructura ha evolucionado para impedir la entrada de prácticamente cualquier molécula extraña o peligrosa, incluida la mayoría de los fármacos; Las moléculas de ARNm son demasiado grandes para atravesar barreras, como la mayoría de los productos farmacéuticos. BBB excluye activamente el contenido que considera peligroso
“Se puede inyectar un tratamiento directamente en el cerebro o la médula espinal, pero esos son procedimientos muy invasivos”, dijo Emily Hahn, estudiante de doctorado en el laboratorio Mitchell y primera autora del artículo.
Debido a que la BBB permite moléculas solubles en grasa (como el alcohol y el THC, razón por la cual estas sustancias afectan el cerebro), la formulación específica de LNP, que está compuesta parcialmente de la misma familia de compuestos grasos que se encuentran en los aceites cotidianos, puede colarse. . el cerebro
Péptidos versus anticuerpos
Hasta ahora, la mayoría de las investigaciones sobre cómo atacar órganos específicos con LNP se han centrado en combinarlas con anticuerpos, proteínas grandes que actúan como etiquetas de nombres biológicos. “Cuando se colocan anticuerpos en las LNP, estas pueden ser inestables y de gran tamaño, lo que hace que sea muy difícil atravesar la barrera”, dice Hahn.
A diferencia de los anticuerpos, que pueden tener cientos de aminoácidos de longitud, los péptidos tienen docenas de aminoácidos de longitud. Su pequeño tamaño significa que no sólo son fáciles de implementar en grandes cantidades en las LNP, sino que también son baratos de fabricar. Los péptidos también tienen muchas menos probabilidades que los anticuerpos de formar LNP o provocar una respuesta inmune no deseada.
La elección de utilizar el péptido comenzó con un encuentro inesperado entre Han y un murciélago que entró volando en su casa, exponiéndolo potencialmente a la rabia. Mientras investigaba las vacunas que encontró contra la enfermedad, Han descubrió que una de las formas en que el virus de la rabia cruza la BBB es a través de la glicoproteína del virus de la rabia. “Entonces me topé con uno de nuestros péptidos dirigidos más prometedores”, dice Hahn, una molécula conocida como RVG29, una extensión de proteína de 29 aminoácidos.
prueba de concepto
Para garantizar que los péptidos funcionaran según lo previsto, los investigadores primero tuvieron que verificar que se adhirieran a las LNP. “Nuestras LNP son una mezcla compleja de ácidos nucleicos, lípidos y péptidos”, dijo Hahn. “Tuvimos que optimizar los métodos de cuantificación para seleccionar los péptidos frente a todas las demás señales”.
Una vez que supieron que los péptidos se adherían a las LNP, los investigadores tuvieron que determinar si las LNP funcionalizadas con péptidos (PLNP) realmente alcanzaban los objetivos previstos en modelos animales. “Es realmente difícil de configurar”, dice Hahn, “porque en el cerebro hay muchos tipos diferentes de células y mucha grasa que puede interferir con las mediciones”. Durante seis meses, Han desarrolló minuciosamente un protocolo para aislar cuidadosamente el tejido cerebral, casi como un mecánico desmontando un motor.
Dirección futura
A continuación, el equipo observó qué fracción de neuronas debería tratarse con PLNP para aliviar significativamente los síntomas o potencialmente curar enfermedades neurológicas. “Volviendo a la misma analogía, ¿deberíamos enviarlas a cada casa que tenga un buzón rojo, o sólo al 10% de ellas? ¿Sería suficiente con el 10% de las neuronas?” pregunta Mitchell.
Responder a estas preguntas guiará el desarrollo de estrategias de administración más eficientes, acercando a la realidad la promesa de los tratamientos basados en ARNm para el Alzheimer, el Parkinson y otras enfermedades cerebrales.
Esta investigación se llevó a cabo en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania y contó con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. (DP2 TR002776), el Fondo Burroughs Wellcome, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (CBET-2145491) y la American Cancer Sociedad. (RSG-22-122-01-ET).
Otros coautores incluyen a Sophia Tang, Donggyun Kim, Amanda M. Murray, Kelsey L. Swingle, Alex G. Hamilton, Kaitlyn Mrocic, Marshall S. Padilla y Jacqueline Lee de Penn Engineering, y Rohan Palanki de Penn Engineering y Children’s Hospital de Filadelfia.