Совершенно новый метод генной терапии был опубликован 16 декабря 2019 года в журнале Nature Biomedical Engineering . Ученые использовали потенциал человеческих клеток для производства биологических наночастиц с множеством отредактированных генов, чтобы они могли вставлять полезные гены людям, страдающим от различных заболеваний.

Исследование, подтверждающее концепцию, доказало больше, чем просто, что оно было хорошей идеей: у мышей, у которых было индуцировано развитие опухоли головного мозга, называемой глиомой, терапия замедляла скорость роста опухоли, а также позволяла им жить дольше. Открытие становится еще более значительным, когда мы помним, что глиомы составляют 8 из 10 опухолей головного мозга у людей.

Секретное оружие

Ученые, работающие над данным исследованием, использовали клеточные органеллы, называемые экзосомами. Это крошечные пузырьки, ограниченные мембранами и выпущенные клетками для переноса сигнальных молекул в другие клетки. Эти встречающиеся в природе мембранные мешочки, или пузырьки, являются биосовместимыми и способны нести полезные нагрузки по всему телу. Они не вызывают иммунную реакцию, потому что они являются частью собственного тела хозяина. Более того, в каждой клетке много экзосом.

Задача, стоящая перед учеными, заключалась в сжатии необходимых генетических данных внутри наноразмерных экзосом. Чтобы быть эффективным, генетический код должен быть достаточно большим по размеру. Решение, полученное в настоящей работе, состояло в том, чтобы использовать клетки человека для производства экзосом в очень большом масштабе. Затем исследователи обогатили полученное решение, чтобы собрать миллионы экзосом и очистить их. Затем они были использованы в качестве носителей наркотиков.

Экзосомы имеют уникальное преимущество – как только они попадают в кровообращение, они перемещаются в нужное место, чтобы освободить свой груз, не прерываясь. Они могут пересекать даже гематоэнцефалический барьер, не присутствуя в высоких концентрациях, в отличие от других частиц.

Исследователь Джеймс Ли описывает экзосомы с наркотиками как «рождественские подарки: подарок находится в упакованном контейнере, который оплачен и готов к отправке». Называя это «вызванной матерью-природой терапевтической наночастицей», он говорит, что они хранят на даче.

Первое открытие

Именно в 2017 году Ли и его тогдашняя команда открыли новую технику, которая помогает преобразовывать взрослые клетки в клетки любого необходимого типа, которые могут лечить болезненные состояния в собственном теле пациента. Этот новый метод, называемый тканевой нанотрансфекцией, имел потенциал для развития регенеративной медицины. Здесь они использовали чип, который использовал нанотехнологии, чтобы выгружать груз биомолекул прямо в слои кожи, чтобы стимулировать дифференцировку клеток кожи в другие типы клеток по мере необходимости.

Исследователи сделали еще одно открытие, что нанотрансфекция тканей работает через экзосомы – это были транспортные средства, которые транспортировали регенеративные стимулы в клетки глубоко под поверхностью кожи.

Следующий шаг

В текущем исследовании они адаптировали это для разработки новой методики, которую они назвали клеточным нанопорацией.

Здесь они помещают около миллиона клеток, донорских из человеческих тканей, таких как мезенхимальные клетки, полученные из человеческого жира, на специально модифицированный кремниевый чип, разработанный в наноразмерном масштабе. Затем они заставили искусственно модифицированную ДНК в клетки с помощью электрического поля. Среди эффектов этого «принудительного кормления» ДНК, клетки должны были удалить ненужную посланную РНК, транскрибированную с синтетической ДНК, а также восстановить дыры, которые были созданы в результате принудительного проникновения ДНК.

Для этого клетки используют экзосомы для упаковки мусора и для восстановления целостности мембраны. При этом они высвобождают экзосомы, которые содержат лекарство (мРНК), кодируемое искусственной ДНК. Таким образом, исследователи заставили собственные клетки организма с нуля производить наночастицы, содержащие необходимый терапевтический агент, путем транскрибирования новой ДНК, которую они ввели.

Использование электричества для стимулирования проникновения синтетической ДНК имело еще одно преимущество – оно улучшило количество терапевтических генов на 3 порядка из-за огромного количества экзосом, выделяемых клетками. Это сигнализирует о масштабируемости модели до уровня, достаточного для создания сильного эффекта в теле человека.

Исследование

Выбор правильных генов для устранения любой генетической проблемы является решающим шагом в этом процессе. Здесь исследователи проверили влияние гена PTEN на глиомы. Это ген, который подавляет раковые изменения. Если на него влияют ингибирующие или нефункциональные мутации, это позволяет неконтролируемый рост раковых клеток.

Чтобы передать это клеткам глиомы, исследователи точно скопировали ген, а затем ввели искусственную ДНК. Это было транскрибировано клеткой в ​​молекулу мРНК, которая говорит клетке, как сделать определенный белок. Экзосомы, продуцируемые этими клетками как часть процесса восстановления и очистки, содержат эту мРНК и могут легко преодолевать гематоэнцефалический барьер для доставки терапевтического гена в необходимый участок – мозг.

Последствия и преимущества

Преимущества этой терапии очевидны: экзосомы нетоксичны и неиммуногенны. Они могут свободно перемещаться по телу, пересекая практически все барьеры, в том числе гематоэнцефалический барьер – который останавливает большинство лекарств. Более того, они запрограммированы на то, чтобы нацеливаться на нужное место, чтобы они случайно не убивали нормальные клетки.

Дальнейшие испытания показали, что большинство экзосом, скорее всего, попадут в опухоль головного мозга и будут ингибировать рост опухолевых клеток по сравнению с другими молекулами, используемыми в качестве контролей. Это означает, что, помимо опухолей головного мозга, эта терапия может доставлять ремонтные гены в условиях, подобных болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Ли говорит: «Надеюсь, однажды это можно будет использовать для медицинских нужд», – сказал Ли. «Мы предоставили метод. Если кто-то знает, какая комбинация генов может вылечить определенное заболевание, но ему нужна терапия, вот он ».