Forscher der Tokyo Metropolitan University haben ein neues Arzneimittel-Transportmolekül entwickelt, einen zwitterionischen Polymerkomplex, der dabei helfen kann, Plasmid-DNA in Zellen zu befördern, wenn sie in die Skelettmuskulatur injiziert wird, ein entscheidender Schritt bei der Expression von therapeutischer RNA und Proteinen. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Biomaterialwissenschaft.
Die neue Verbindung bindet sich effektiv an Plasmid-DNA, ohne deren Struktur zu beeinträchtigen. Bei der Injektion in die Muskeln von Mäusen konnte das Team eine weitverbreitete Genexpression beobachten.
Arzneimittelverabreichungssysteme bilden die Grundlage für viele der klinischen Durchbrüche unserer Zeit. Der COVID-19-Impfstoff beispielsweise verwendet Lipidnanopartikel, um Boten-RNA (mRNA) einzuhüllen und sie durch einen Prozess namens Endozytose in Zellen zu transportieren. Sobald sie sich im Körper befinden, wird die mRNA durch „endosomale Flucht“ freigesetzt, bevor sie von der zellulären Maschinerie in Antigene „übersetzt“ wird, die eine Immunreaktion hervorrufen.
Doch obwohl solche Methoden erfolgreich eingesetzt werden, müssen noch immer Herausforderungen bewältigt werden, wie etwa die unerwünschte Aggregation des Trägers. Da die Behandlungen vielfältiger werden, suchen Forscher nach neuen Verabreichungsmethoden für ein breiteres Anwendungsspektrum.
Ein Team der Tokyo Metropolitan University unter der Leitung von Professor Shoichiro Asayama hat den Einsatz von Polyionen, elektrisch geladenen Polymeren, zum Transport von Plasmid-DNA (pDNA) in Zellen untersucht.
Plasmid-DNA kann in Messenger-RNA transkribiert oder in Proteine übersetzt werden, was sie zu einem vielseitigen Vehikel für Therapien macht. Außerdem handelt es sich dabei um negativ geladene Polymere, die an positiv geladene Polyionen binden können.
Allerdings ist es alles andere als ideal, einfach große, positiv geladene Polymere herzustellen, da diese aufgrund ihrer Ladung für Zellen toxisch sein könnten. Neuere Versuche konzentrierten sich auf Zwitterionen, also Verbindungen mit einer positiven Ladung auf einem Teil und einer negativen Ladung auf dem anderen.
Nun hat das Team die erste zwitterionische Polymerverbindung (CA-PVIm) mit einem Imidazoliumkation (positive Ladung) entwickelt, die mit pDNA Komplexe bilden kann.
Imidazoliumgruppen haben den Vorteil, dass ihre positive Ladung über einen Atomring verteilt ist, wodurch sie eine gute Chance haben, sich fest an pDNA zu binden. Negativ geladene Teile bestanden aus Carboxylgruppen, die durch eine kurze Kohlenwasserstoffkette voneinander getrennt waren; diese wurden in unterschiedlichen Proportionen in die Polymerkette eingefügt.
In vorläufigen Experimenten stellten sie fest, dass ihre neue Verbindung in der Lösung eine Schicht gebundener Wassermoleküle enthielt, die sie bioinert machen könnte. Gemischt mit pDNA wurde eine Methode zur Trennung von DNA-Verbindungen nach Länge verwendet, um zu zeigen, dass pDNA erfolgreich mit CA-PVIm Komplexe bilden kann. Weitere Messungen zeigten auch, dass die komplexe hierarchische Struktur der pDNA erhalten blieb.
Das Team testete seine Verbindung, indem es sie in das Muskelgewebe von Mäusen injizierte. Im Vergleich zu bloßer pDNA stellten sie fest, dass die Genexpression durch die pDNA über einen wesentlich größeren Bereich erfolgte.
Dies zeigte deutlich, dass ihr Polyion in Zellen aufgenommen wurde und endosomal entkam. Sie identifizierten auch eine optimale Verbindung, bei der 7 % der verfügbaren Stellen negativ geladen waren (CA(7)-PVIm), was den größten Effekt hatte.
Da der Muskel seine Fracht über große Muskelmassen hinweg transportieren kann, versprechen die Erkenntnisse des Teams neue Therapien für schwere Muskelerkrankungen.
Mehr Informationen:
Ren Misaizu et al., Diffusive Abgabe von Plasmid-DNA mittels zwitterionischem Carboxyalkylpoly(1-vinylimidazol) in den Skelettmuskel in vivo, Biomaterialwissenschaft (2024). DOI: 10.1039/D4BM00510D