Los ingenieros de Penn han descubierto una forma novedosa de dirigir las nanopartículas lipídicas LNP, las moléculas revolucionarias que administraron la vacuna COVID-19, para que se dirijan a tejidos específicos, presagiando una nueva era en la medicina personalizada y la terapia génica.
Si bien investigaciones anteriores (incluida la ingeniería de bolígrafos) han examinado “bibliotecas” de LNP para encontrar variantes específicas que se dirijan a órganos como los pulmones, este enfoque es de prueba y error. Profesor asociado de Bioingeniería Michael J. “Nunca entendimos cómo un componente clave de la LNP, los lípidos ionizables, determina el destino final de la LNP en órganos fuera del hígado”, dice Mitchell.
En un nuevo artículo publicado Nanotecnología de la naturalezaEl grupo de Mitchell describe cómo los ajustes sutiles en la estructura química de los lípidos ionizables, un componente clave de las LNP, permiten la administración de tejidos específicos, particularmente en el hígado, los pulmones y el bazo.
La idea clave de los investigadores fue incorporar compuestos de siloxano, una clase de compuestos a base de silicio y oxígeno que ya se utilizan en dispositivos médicos, cosméticos y administración de medicamentos, en los lípidos ionizables que dan nombre a las LNP.
Al igual que los selladores de silicona, que se sabe que son duraderos y fáciles de desinfectar, en estudios previos se ha demostrado que los compuestos de siloxano tienen una alta estabilidad y baja toxicidad. “Intentamos explorar si estas propiedades podrían explotarse para diseñar LNP altamente estables y mínimamente tóxicas para la administración de ARNm”, informan los investigadores en el artículo.
Al examinar cuidadosamente cientos de variantes de las recién denominadas nanopartículas lipídicas que incorporan siloxano (SiLNP), los investigadores determinaron qué propiedades químicas influyeron en la entrega de ARNm. “Identificándolos vivo “Cumplirlo fue un gran desafío”, dijo Lulu Xuey, becaria postdoctoral en el laboratorio Mitchell y una de las primeras coautoras del artículo.
En primer lugar, los investigadores utilizaron variantes de SiLNP para administrar ARNm que codifica la luciferasa de luciérnaga, el gen que ilumina a las luciérnagas, en células hepáticas cancerosas en un modelo animal, como sustituto del uso de SiLNP para tratar el cáncer de hígado. Dondequiera que las células comenzaran a arder, los investigadores podían estar seguros de que los SiLNP habían transferido su carga útil de ARNm a la célula.
Cuando también aparecieron células brillantes en los pulmones de modelos animales, los investigadores se dieron cuenta de que algunas formas de SiLNP se dirigían a moléculas fuera del hígado: el santo grial de la investigación de LNP, ya que las LNP tienden a agregarse en el hígado, debido a la compleja red de ese órgano. de vasos sanguíneos.
Entre los cambios identificados que ajustaron la trayectoria de los SILNP se encuentran pequeños cambios como la sustitución de un grupo químico por otro (una amida por un éster, en este caso), lo que condujo a una tasa de éxito del 90% en la entrega de ARNm al tejido pulmonar en un modelo animal.
“Simplemente cambiamos la estructura de los lípidos”, dijo Xue, “pero este pequeño cambio en la química de los lípidos aumentó significativamente la liberación extrahepática”.
El grupo también determinó que una variedad de factores químicos afectan el rendimiento general de las SiLNP, incluida la cantidad de grupos de silicio en los lípidos, la longitud de las colas de los lípidos y la estructura de los propios lípidos.
Además, las SiLNP tenían una marcada afinidad por las células endoteliales; Dado que los vasos sanguíneos están compuestos de células endoteliales, las SiLNP pueden tener aplicaciones clínicas en la medicina regenerativa dirigida a los vasos sanguíneos dañados, particularmente en los pulmones. De hecho, los investigadores descubrieron que las SiLNP administraban sustancias que estimulaban el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos que mejoraban drásticamente los niveles de oxígeno en sangre y la función pulmonar en modelos animales que padecían una infección viral que dañaba los vasos sanguíneos de sus pulmones.
Los investigadores teorizaron que una de las razones de la eficacia del SiLNP puede ser que los átomos de silicio son más grandes que los átomos de carbono. Dado que los átomos están menos empaquetados, cuando los SiLNP se fusionan con la membrana celular objetivo, es probable que los primeros aumenten la fluidez de los segundos. A su vez, esa flexibilidad adicional ayuda al ARNm transportado por las SiLNP a ingresar a las células objetivo, por lo que el ARNm puede usarse más fácilmente para producir proteínas. A medida que los CLNP viajan por el torrente sanguíneo, las proteínas adheridas a su superficie ayudan a guiarlos hacia el tejido correcto.
Finalmente, los SiLNP mostraron una mejora seis veces mayor en la entrega de ARNm en comparación con las variedades de LNP estándar de oro actuales, lo que sugiere que las propiedades únicas de los compuestos de siloxano tienen un impacto pronunciado en el potencial clínico de la molécula. “Estos SiLNP son prometedores en la terapia de reemplazo de proteínas, la medicina regenerativa y la edición de genes basada en CRISPR-Cas”, dijo Xue.
“Esperamos que este artículo pueda conducir a nuevas aplicaciones clínicas para las nanopartículas lipídicas al mostrar cómo cambios simples en su estructura química pueden permitir la entrega de ARNm altamente específico al órgano de interés”, añadió Mitchell.
Esta investigación fue realizada por la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering), la Facultad de Medicina Veterinaria (PennVet), la Facultad de Medicina Perelman (Penn Medicine); Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China; Universidad de Delaware; y contó con el apoyo del Premio al Nuevo Innovador del Director de la Universidad de Temple y de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. (DP2 TR002776), el Premio a la Carrera del Fondo Burroughs Wellcome en la Interfaz Científica (CASI) y el Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (CBET-2145491). ), una beca de investigación de la Sociedad Estadounidense del Cáncer (RSG-22-122-01-ET) y los Institutos Nacionales de Salud (NICHD R01 HD115877).
Otros coautores incluyen a Ningqiang Gong (coprimer autor), Xuexiang Han, Sarah J. Pastor, Rohan Palanki, Junchao Xu, Kelsey L. Incluye a Swingle, Rakan El-Mayta, Il-Chul Yoon y Jingchen Xu de Penn Engineering; Gan Zhao (co-primer autor), Zebin Xiao y Andrew E. Vaughan, de Penvet; Vivek Chowdhury, Mohammad-Gabriel Almeh, Claude Warzecha, Lily Wang, James M. Wilson y Drew Weissman de Penn Medicine; Jinhong Zhong y Jiaxi Cui de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China; Darin J. de la Universidad de Delaware. putrefacción y Karin Wang de la Universidad de Temple.