Ingenieure bekämpfen Lungenerkrankungen mit Lipid-Nanopartikeln

Penn Engineers haben ein neues Mittel entwickelt, um mit Lipid-Nanopartikeln (LNPs), den winzigen Kapseln, die in den COVID-19-Impfstoffen von Moderna und Pfizer-BioNTech zur Abgabe von mRNA verwendet werden, auf die Lunge abzuzielen und damit die Tür für neuartige Behandlungen für Lungenerkrankungen wie Mukoviszidose zu öffnen.

In einem Papier In Naturkommunikation, Michael J. Mitchell, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Bioingenieurwesen, demonstriert eine neue Methode zur effizienten Bestimmung, welche LNPs wahrscheinlich an die Lunge und nicht an die Leber binden. „Aufgrund der Art und Weise, wie die Leber aufgebaut ist“, sagt Mitchell, „dringen LNPs tendenziell in die Leberzellen ein und haben Mühe, anderswo anzukommen. Die Möglichkeit, auf die Lunge zu zielen, kann für jemanden mit Lungenkrebs oder Mukoviszidose lebensverändernd sein.“

Frühere Studien haben gezeigt, dass kationische Lipide – Lipide, die positiv geladen sind – ihren Inhalt eher erfolgreich an das Lungengewebe abgeben. „Die kommerziellen kationischen Lipide sind jedoch normalerweise stark positiv geladen und toxisch“, sagt Lulu Xue, Postdoktorandin im Mitchell Lab und Erstautorin der Arbeit. Da Zellmembranen negativ geladen sind, können Lipide mit einer zu starken positiven Ladung Zielzellen buchstäblich auseinanderreißen.

Typischerweise wären Hunderte von Mäusen erforderlich, um die Mitglieder einer „Bibliothek“ von LNPs – chemische Varianten mit unterschiedlichen Strukturen und Eigenschaften – einzeln zu testen, um eines mit einer geringen Ladung zu finden, das mit größerer Wahrscheinlichkeit eine medizinische Nutzlast an die Lunge abgibt.

Stattdessen verwendeten Xue, Mitchell und ihre Mitarbeiter sogenannte „Barcode-DNA“ (b-DNA), um jedes LNP mit einem einzigartigen Strang genetischen Materials zu markieren, sodass sie einen Pool von LNPs in nur eine Handvoll Tiermodelle injizieren konnten . Sobald sich die LNPs dann in verschiedenen Organen ausgebreitet hatten, konnte die b-DNA wie ein Artikel im Supermarkt gescannt werden, um festzustellen, welche LNPs in der Lunge landeten.

Nachdem sie ein LNP identifiziert hatten, das erfolgreich in Lungenzellen eindrang, verabreichten Xue, Mitchell und ihre Mitarbeiter das Molekül Mäusen, die an Lungenkrebs litten: Die Behandlung hatte eine ausgeprägte und positive Wirkung und reduzierte die Tumorgröße drastisch, indem sie einen mRNA- und gRNA-Strang abgab, der unterdrückt das Wachstum von Lungentumoren. „Diese Technologie wird dazu beitragen, die Entwicklung von mRNA-Therapeutika über die Leber hinaus zu beschleunigen“, sagt Xue und verweist auf die Geschwindigkeit, die geringen Kosten und die Wirksamkeit der Technik.