Neuer Ansatz könnte modifizierte Boten-RNAs zur Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen hervorbringen

Der lebensrettende Einsatz von Messenger-RNA (mRNA) in COVID-19-Impfstoffen war ein öffentliches Beispiel für das Potenzial mRNA-basierter Therapien, die vielversprechend für eine breite Palette von Behandlungsanwendungen von der Krebsimmuntherapie bis zur Genomeditierung sind.

Forscher am Broad Institute of MIT und Harvard sowie am Massachusetts Institute of Technology arbeiten an einer systematischen Methode zur Optimierung von mRNA-Medikamenten für bestimmte Anwendungen. Sie haben einen Ansatz entwickelt, mit dem mRNAs so angepasst werden können, dass sie im Vergleich zu nativer mRNA mehr Proteine ​​produzieren oder Proteine ​​über einen längeren Zeitraum produzieren. Dies eröffnet die Möglichkeit, mRNA-basierte Therapien in niedrigeren Dosen und mit weniger Nebenwirkungen für eine Vielzahl von Erkrankungen bereitzustellen.

Aufbauend auf früheren Forschungsarbeiten, in denen das Anhängen mehrerer chemischer „Schwänze“ an mRNA untersucht wurde, testeten die Forscher unter der Leitung von Xiao Wang, Mitglied des Broad-Kerninstituts, systematisch viele verschiedene chemische Modifikationen von mRNA und maßen ihre Auswirkungen auf die Proteintranslation.

Mit dem, was sie aus diesen Experimenten gelernt haben, entwickelten sie ein Gerüst – Ligation-enabled Messenger-RNA-Oligonukleotid-Assembly oder LEGO –, das es Forschern ermöglicht, die Struktur von mRNA-Molekülen chemisch zu verändern und ihre Interaktionen mit der Proteintranslationsmaschinerie der Zelle zu beeinflussen, um gewünschte therapeutische Effekte zu erzielen. Ihre Arbeit an LEGO ist veröffentlicht In Natur Biotechnologie.

„Das übergeordnete Ziel unseres Projekts ist die Entwicklung von Behandlungen, die das volle Potenzial von mRNA als Informationsmolekül nutzen, das jedes gewünschte Protein liefern kann“, sagte Hongyu Chen, ein Doktorand in Wangs Labor und Co-Erstautor der Studie zusammen mit seinen Doktoranden Dangliang Liu und Abhishek Aditham. „Es ist eine sehr allgemein anwendbare Technologie.“

Das Team hofft, letztendlich ein umfassendes Protokoll erstellen zu können, mit dem die Forscher jede Komponente eines mRNA-Medikaments optimieren und so eine therapeutische Kontrolle erreichen können, die bisher nur bei traditionelleren niedermolekularen Medikamenten möglich war.

„Letztendlich wollen wir das Alphabet synthetisch erweitern, neue Strukturen schaffen und die chemische Sprache der mRNA-Medizin entschlüsseln, um ihr Potenzial in verschiedenen therapeutischen Umgebungen zu maximieren“, sagte Wang, der Hauptautor des Artikels und auch Thomas D. und Virginia Cabot Associate Professor für Chemie am MIT.

Protein-Boost

Die für COVID-19 entwickelten mRNA-Impfstoffe müssen nur eine bescheidene Menge an Proteinen produzieren, damit das Immunsystem in Gang kommt und robuste Antikörper gegen die Infektion entwickelt. Bei manchen Erkrankungen wie Hämophilie oder Diabetes fehlt den Patienten jedoch ein Protein, Hormon oder Enzym oder sie haben nur einen geringen Spiegel davon und benötigen Therapien, die diese im Körper ersetzen können.

In ihrem natürlichen Zustand sind mRNA-Moleküle kurzlebig und werden normalerweise nur für einen kurzen Zeitraum in Proteine ​​umgewandelt, bevor sie abgebaut werden. Je nach therapeutischem Ziel könnte eine ideale mRNA-basierte Behandlung jedoch Proteine ​​über einen langen Zeitraum produzieren und so die Anzahl der Behandlungen reduzieren, die ein Patient erhalten müsste, oder schnell eine große Menge an Proteinen bereitstellen.

Hier könnte LEGO unglaublich nützlich sein.

LEGO ermöglicht es Forschern, mRNA-Moleküle hinsichtlich ihrer Translationseffizienz zu optimieren, indem sie ihre 5′- und 3′-Enden – ihre „Caps“ bzw. „Tails“ – verändern. Die Veränderung der Cap einer mRNA kann sich darauf auswirken, wie gut mRNA in Protein übersetzt wird, während Veränderungen am Tail die Stabilität und den Abbau der mRNA beeinflussen.

Durch das Mischen und Anpassen von Cap- und Tail-Modifikationen – einschließlich des Hinzufügens mehrerer Caps und Tails, die vom Molekül abzweigen – stellten Chen, Liu, Aditham, Wang und ihre Kollegen fest, dass sie die Langlebigkeit und Translationseffizienz von mRNAs optimieren konnten, um bestimmte therapeutische Ziele zu erreichen.

Die Forscher verwendeten LEGO, um eine mRNA-Hormonersatztherapie zu entwickeln, die das Hormon Erythropoietin kodiert, das die Produktion roter Blutkörperchen zur Behandlung von Anämie anregt. Bei Mäusen bewirkte das Medikament – ​​eine mRNA mit einer doppelt verzweigten Kappe und anderen Modifikationen –, dass die Zellen achtmal mehr Protein produzierten als normale mRNA.

Sie entwickelten außerdem einen optimierten COVID-19-Impfstoff unter Verwendung derselben mRNA-Modifikationen, der bei Mäusen nach zwei Wochen eine 17-fache Steigerung der Antikörperproduktion im Vergleich zu einem herkömmlichen COVID-19-Impfstoff auslöste.

Neben der Optimierung linearer mRNA testete das Team mit LEGO auch Modifikationen zirkulärer mRNA, die widerstandsfähiger gegen Abbau ist, von der Zelle aber mit einer weniger effizienten Methode übersetzt wird. Durch das Hinzufügen einer verzweigten Kappe zur zirkulären RNA schufen die Forscher eine „QRNA“, die, wenn sie für die Kodierung eines fluoreszierenden Proteins konzipiert wurde, eine bis zu 60-fach erhöhte Fluoreszenz im Vergleich zu normaler zirkulärer RNA erzeugte.

Obwohl QRNA noch weiter davon entfernt ist, ein effektiver therapeutischer Ansatz zu sein als lineare mRNA, konnten die Forscher durch die Beobachtung der Auswirkung verschiedener Modifikationen auf die Translation von QRNAs mehr darüber erfahren, wie Zellen auf natürliche Weise Proteine ​​produzieren.

Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von mRNA für die Entwicklung hochwirksamer und gezielter Behandlungen für ein breites Spektrum von Erkrankungen und bieten gleichzeitig einen Rahmen für die Konstruktion maßgeschneiderter mRNAs für spezifische Anforderungen.

„In den meisten Anwendungen, die wir bereits ausprobiert haben – bei Impfstoffen oder Proteinersatztherapeutika – können wir mit diesen Modifikationen eine viel höhere therapeutische Wirkung erzielen“, sagte Liu. „Eine so winzige chemische Veränderung kann zu einer so erstaunlichen Steigerung der mRNA-Stabilität und -Translatierbarkeit beitragen.“