Messenger-RNAs mit mehreren „Schwänzen“ könnten zu wirksameren Therapeutika führen, sagen Forscher

Messenger-RNA (mRNA) erlangte während der Pandemie dank ihrer zentralen Rolle in mehreren COVID-19-Impfstoffen einen großen Sprung ins öffentliche Rampenlicht. Aber auch mRNAs, also genetische Sequenzen, die den Körper anweisen, Proteine ​​zu produzieren, werden als neue Medikamentenklasse entwickelt. Damit mRNAs jedoch einen breiten therapeutischen Nutzen haben, müssen die Moleküle im Körper länger überleben als diejenigen, aus denen die COVID-Impfstoffe bestehen.

Forscher des Broad Institute of MIT und Harvard und MIT haben eine neue mRNA-Struktur entwickelt, indem sie den Molekülen mehrere „Schwänze“ hinzugefügt haben, die die mRNA-Aktivität in Zellen um das Fünf- bis Zwanzigfache steigerten. Das Team zeigte außerdem, dass ihre mehrschwänzigen mRNAs bei Tieren im Vergleich zu unmodifizierter mRNA zwei- bis dreimal länger hielten und bei Einbau in ein CRISPR-Gen-Editierungssystem zu einer effizienteren Gen-Editierung bei Mäusen führten.

Die neuen mRNAs, berichtet in Naturbiotechnologiekönnte möglicherweise zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, die lang anhaltende Behandlungen erfordern, bei denen Gene verändert oder fehlerhafte Proteine ​​ersetzt werden.

„Die Verwendung von mRNA in COVID-Impfstoffen ist fantastisch, was uns dazu veranlasste, zu untersuchen, wie wir die möglichen therapeutischen Anwendungen von mRNA erweitern könnten“, sagte Xiao Wang, leitender Autor des neuen Papiers, Mitglied des Kerninstituts am Broad und Assistenzprofessor der Chemie am MIT.

„Wir haben gezeigt, dass nicht-natürliche Strukturen viel besser funktionieren können als natürlich vorkommende. Diese Forschung hat uns großes Vertrauen in unsere Fähigkeit gegeben, mRNA-Moleküle chemisch und topologisch zu modifizieren.“

„Am meisten begeistert mich die Tatsache, dass diese neue Form der mRNA von der zellulären Übersetzungsmaschinerie so gut toleriert wird“, sagte Hongyu Chen, Erstautor der Arbeit und Doktorand am MIT Chemistry in Wangs Labor. „Dies eröffnet viele neue Möglichkeiten für die synthetische Modifikation von mRNA, um ihre therapeutischen Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.“

Durchhaltevermögen

Die mRNA in den heutigen COVID-Impfstoffen ist so wirksam, weil nur sehr wenig benötigt wird – sobald sie in den Körper injiziert wird, stimuliert sie die Produktion von Proteinen, die Teilen des COVID-Virus ähneln. „Das Immunsystem ist sehr robust und kann daher als Reaktion auf die vorübergehende Expression eines fremden Proteins viele Antikörper bilden“, sagte Chen.

Damit jedoch dieselbe Art von mRNA genügend Proteine ​​produzieren kann, um Krankheiten zu behandeln, die die normale Produktion essentieller Proteine ​​stören, wäre eine viel höhere Dosis erforderlich, die toxische Nebenwirkungen verursachen könnte.

Wangs Labor ist darauf spezialisiert, zu verstehen, wie RNA von der Synthese bis zum endgültigen Abbau und der Entsorgung in Zellen funktioniert. Wang, Chen und ihr Team wollten sich der komplexen Herausforderung stellen, eine mRNA-Struktur zu entwerfen, die stabil und aktiv ist und in niedrigen Dosen anhaltende therapeutische Wirkungen hervorruft.

„Ich finde mRNA sehr faszinierend, weil ihre Funktion als Informationsmolekül durch ihre Sequenz kodiert wird, während ihre Stabilität durch die chemischen Eigenschaften ihres Rückgrats bestimmt wird“, sagte Chen. „Diese Funktion gibt Chemikern die Vielseitigkeit, die mRNA-Struktur umfassend zu verändern, ohne sich Gedanken über die Änderung der darin enthaltenen Informationen machen zu müssen.“

Aufgrund früherer Forschungen wussten Wang und Chen, dass ein Teil der mRNA-Struktur, ein Zweig namens Poly(A)-Schwanz, eine wichtige Rolle beim Schutz der mRNA vor dem Abbau in Zellen spielt. Im Jahr 2022 zeigten sie, dass die chemische Modifikation des Poly(A)-Schwanzes den natürlichen Zerfall der mRNA verlangsamt und sie so für ein breiteres Spektrum von Therapien nützlicher macht. Sie nannten diese veränderten Moleküle „mRNA-Oligo-Konjugate“ oder mocRNAs.

Um auf dieser Arbeit aufzubauen, stellten Wang und Chen die Hypothese auf, dass die Entwicklung einer noch komplexeren Form der mRNA, die mehrere modifizierte Poly(A-Schwänze) enthält, die therapeutischen Wirkungen der mRNA noch verstärken würde.

Bei ihrem jüngsten Versuch stellte das Team ihre mehrschwänzigen mRNAs her, testete sie in menschlichen Zellen und stellte fest, dass sie die mRNA-Translation viel länger aufrechterhielten als natürliche mRNA und mocRNA und im Laufe der Zeit bis zu 20-mal mehr Proteine ​​pro Dosis produzierten.

In Mausexperimenten stellten die Forscher fest, dass nur eine Dosis mehrschwänziger mRNA zu einer Proteinproduktion führte, die bis zu 14 Tage anhielt – fast doppelt so lange wie bei früheren mRNA-Technologien.

Sie nutzten ihre mehrschwänzige mRNA auch, um das DNA-schneidende Cas9-Protein als Teil des CRISPR-Cas9-Geneditierungssystems zu kodieren, und testeten dies an Mäusen, um Gene zu bearbeiten, die mit hohem Cholesterinspiegel, Pcsk9 und Angptl3, verbunden sind. Sie fanden heraus, dass bereits eine einzige Dosis mehrschwänziger Cas9-mRNA im Vergleich zu Tieren, die mit Kontroll-Cas9-mRNA behandelt wurden, ein höheres Maß an Genbearbeitung induzieren konnte, was zu einer Verringerung des im Blutkreislauf zirkulierenden Cholesterins führte.

Wang und Chen konzentrieren sich nun darauf, ihren mehrschwänzigen mRNA-Synthese- und Reinigungsprozess skalierbarer zu machen. Sie untersuchen außerdem genauer, wie sich mRNA-Modifikationen auf das Zusammenspiel zwischen therapeutischer Stabilität und Aktivität auswirken.

„Wir wollen sehen, wo wir die Struktur der mRNA sonst noch verändern können, um die Effizienz zu steigern“, sagte Chen und fügte hinzu, dass sie auch an Modifikationen interessiert seien, die die Geschwindigkeit verbessern würden, mit der Zellen die Anweisungen der mRNA scannen und übersetzen können.