Neue Screening-Techniken könnten mRNA-Therapien beschleunigen und verbessern

Auf Boten-RNA oder mRNA basierende Therapeutika können möglicherweise eine Vielzahl von Krankheiten behandeln, darunter Krebs, genetische Krankheiten und, wie die Welt in den letzten Jahren gelernt hat, tödliche Viren.

Um zu wirken, müssen diese Medikamente in nanoskaligen Fettbläschen, sogenannten Lipid-Nanopartikeln oder LNPs, direkt an die Zielzellen abgegeben werden – mRNA ist nicht viel gut, wenn sie nicht den richtigen Zelltyp erreicht.

Ein Forscherteam des Georgia Institute of Technology und der School of Medicine der Emory University hat einen weiteren Schritt zur Verbesserung der Entwicklung dieser maßgeschneiderten Lieferfahrzeuge unternommen und am 30. Juni über seine Arbeit berichtet Natur Nanotechnologie. Curtis Dobrowolski und Kalina Paunovska, Auszubildende im Labor von James Dahlman, haben ein System entwickelt, um vorklinische Studien zu Nanopartikeln besser vorhersagbar zu machen. Ihre Entdeckungen beeinflussen bereits die Richtung der Forschung in diesem wachsenden, wettbewerbsintensiven Bereich.

„Ich freue mich sehr über diese Studie und gehe davon aus, dass wir die meisten unserer zukünftigen Projekte auf diese Methodik umstellen werden“, sagte Dahlman, außerordentlicher Professor und Professor für Frühkarriere der McCamish Foundation am Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering an der Georgia Tech and Emory.

Ablauf der Ereignisse

In den letzten Jahren war Dahlman Partner von Coulter BME-Professor Philip Santangelo in einem geschäftigen Forschungsunternehmen. Das Labor von Santangelo entwickelt mRNA-Therapien und das Labor von Dahlman liefert sie unter Verwendung von LNPs.

Um den Prozess des Testens der Wirksamkeit ihrer LNPs zu beschleunigen, hat Dahlmans Team eine Technik namens DNA-Barcoding entwickelt. Bei diesem Prozess fügen die Forscher einen DNA-Schnipsel ein, der einem bestimmten LNP entspricht. Anschließend werden die LNPs injiziert und die Zellen anschließend mittels genetischer Sequenzierung auf das Vorhandensein der „Barcodes“ untersucht. Das System identifiziert, welche Barcodes welche spezifischen Ziele erreicht haben, und hebt die vielversprechendsten Nanopartikel hervor. Da viele DNA-Sequenzen gleichzeitig gelesen werden können, ermöglicht der Barcode-Prozess die gleichzeitige Durchführung vieler Experimente, wodurch die Entdeckung effektiver Lipid-Nanopartikel-Träger beschleunigt wird.

DNA-Barcoding hat den vorklinischen Screening-Prozess für Nanopartikel erheblich verbessert. Aber es gibt immer noch eine erhebliche Barriere, die sich auf die Arzneimittelabgabe auswirkt. Aufgrund ihrer Vielfalt sind Zellen so etwas wie bewegliche Ziele. Dahlman stellte fest, dass Zellen, die früher als homogen galten, aus unterschiedlichen und unterschiedlichen Zelluntergruppen bestehen. Sein Team vermutete, dass diese chemische und genetische Heterogenität einen starken Einfluss darauf hat, wie gut LNPs mRNA-Therapien in die Zellen einbringen können.

„Zellen haben nicht nur ein Protein, das sie definiert – sie sind kompliziert“, sagte Dahlman. „Sie können durch eine Kombination von Dingen definiert werden, und wenn wir ehrlich sind, werden sie am besten anhand all der Gene definiert, die sie exprimieren oder nicht exprimieren.“

Um ihre Hypothese zu testen, entwickelten die Forscher ein neues Instrument, um all diese Dinge auf einmal zu messen. Ihr Multiomic Nanoparticle Delivery System wird als Single-Cell Nanoparticle Targeting-Sequencing oder SENT-seq bezeichnet.

Multiomics-Ansatz

Mit SENT-seq konnten die Forscher in Tausenden von einzelnen Zellen quantifizieren, wie LNPs DNA-Barcodes und mRNA in Zellen liefern, die anschließende Proteinproduktion, die durch das mRNA-Medikament erleichtert wird, sowie die Identität der Zelle.

Dieser Multiomics-Ansatz könnte einen wichtigen Sprung nach vorne für die Hochdurchsatz-LNP-Entdeckung darstellen. Die SENT-seq-Technik ermöglichte es dem Team, Zellsubtypen zu identifizieren, die eine besonders hohe oder niedrige Nanopartikelaufnahme aufweisen, sowie die mit diesen Subtypen assoziierten Gene.

Sie testen also nicht nur die Wirksamkeit eines Medikaments und wie bestimmte Zellsubtypen auf Nanopartikel reagieren, sondern identifizieren auch, welche Gene an der erfolgreichen Aufnahme von LNPs beteiligt sind. Und sie tun alles auf einmal.

„Die Daten deuten darauf hin, dass diese verschiedenen Zelluntergruppen unterschiedliche Reaktionen auf Nanopartikel haben, die beeinflussen, wie gut eine mRNA-Therapie funktioniert“, sagte Dahlman. „Es gibt noch viel zu tun, aber wir glauben, dass die Möglichkeit, die Hochdurchsatz-Nanopartikelabgabe und die zelluläre Reaktion auf Nanopartikel gleichzeitig auszulesen, zu besseren mRNA-Therapien führen wird.“

Co-Hauptautorin Paunovska sagte, dass sie und Dobrowolski auf die Idee für das SENT-seq-System gekommen seien, „nach zwei Monaten der Zusammenarbeit organisch“.

Dahlman fügte hinzu: „Ich bin stolz auf die Arbeit, die Curtis, Kalina und das Team im Labor geleistet haben. Ich denke, dies ist der Beginn einer äußerst interessanten Phase unserer Arbeit.“