Neuer Ansatz nutzt „getarnte“ Proteine, um krebsabtötende Therapeutika in Zellen zu transportieren

Im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit wurde eine Methode entwickelt, Proteine ​​zu „verhüllen“, sodass sie von Lipidnanopartikeln, die winzigen Fettbläschen ähneln, eingefangen werden können. Diese Bläschen sind klein genug, um ihre verborgene Fracht in lebende Zellen zu schmuggeln, wo sich die Proteine ​​enthüllen und ihre therapeutische Wirkung entfalten.

Die verallgemeinerbare Technik könnte dazu führen, dass Tausende kommerzieller Proteinprodukte, einschließlich Antikörper, für die biologische Forschung und therapeutische Anwendungen wiederverwendet werden können.

Das Papier der Gruppe mit dem Titel „Bioreversible Anionic Cloaking Enables Intracellular Protein Delivery with Ionizable Lipid Nanoparticles“ (Bioreversible Anionic Cloaking ermöglicht intrazelluläre Proteinzufuhr mit ionisierbaren Lipid-Nanopartikeln) veröffentlicht 14. Mai in ACS Zentrale Wissenschaft. Der Hauptautor ist der Doktorand Azmain Alamgir, der in den Laboren der Co-Seniorautoren des Artikels, Chris Alabi, außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik an der Cornell Engineering University, und Matt DeLisa, William L. Lewis-Professor für Ingenieurwesen und Direktor des Cornell Institute of Biotechnology, arbeitet.

Das Projekt begann mit einem einzigen Ziel: die Kombination der Expertise der DeLisa-Gruppe bei der Entwicklung proteinbasierter Therapeutika mit dem Schwerpunkt des Alabi-Labors auf der intrazellulären Verabreichung von Biologika.

Damit manche Medikamente die Biologie einer Zelle beeinflussen und letztlich Krankheiten heilen können, müssen sie in das Innere der Zelle gelangen und dort einen bestimmten Raum erreichen. Das ist vergleichbar mit der Reparatur eines kaputten Rohrs in einem Haus: Der Klempner muss Zugang zu einem bestimmten Raum haben, um das Leck zu reparieren.

Therapeutika auf Proteinbasis haben viele Vorteile – sie können spezifischere Wirkungen haben, sind weniger toxisch und verursachen eine geringere Immunreaktion –, aber die einfache Verabreichung gehört nicht dazu. Proteine ​​sind groß und sperrig und diffundieren nicht so leicht in Zellen wie kleine Moleküle. Das ist einer der Gründe, warum kleine Moleküle die vorherrschende Arzneimittelquelle in der Pharmaindustrie sind: Sie können ohne Verabreichungsvehikel leicht in Zellen diffundieren.

Im Laufe der Jahre hat DeLisas Gruppe eine breite Palette interessanter und potenziell wirksamer Proteinmedikamente entwickelt. Leider war der praktische Nutzen dieser Proteine ​​durch das Fehlen einer Methode zur intrazellulären Verabreichung begrenzt. Zwar war Gentherapie – eine biomedizinische Technologie, die durch die Verabreichung eines Gens zur Expression in Zielzellen eine therapeutische Wirkung erzielen kann – eine Option, doch aufgrund von Sicherheitsbedenken beim Menschen hat die Methode eine wechselvolle Geschichte.

„Wir haben nach einer cleveren Möglichkeit gesucht, unsere gentechnisch veränderten Proteine ​​effizient in Zellen zu bringen, insbesondere in einem translationalen Kontext, der nicht nur in im Labor gezüchteten Zellen funktioniert, sondern auch in Tiermodellen und schließlich beim Menschen effektiv und sicher ist“, sagte DeLisa.

„Als Azmain unsere Gruppe mit der Gruppe von Chris zusammenbrachte, kam uns die Idee, warum wir dies als Gentherapie anbieten sollten, wenn wir es auch als fertiges Protein liefern könnten. Und das hat uns wirklich begeistert.“

Alabis Labor stand vor eigenen Herausforderungen. Zwar habe das Team Erfahrung damit, Nukleinsäuren mithilfe von Nanopartikeln in Zellen zu transportieren, doch habe man bisher noch keine Möglichkeit gefunden, dasselbe mit „kugelförmigen, weichen Proteinen“ zu tun, da das Labor nur über begrenzte Erfahrung bei der Herstellung ausreichender Mengen dieser Proteine ​​für Tests verfüge.

„Wir betrachteten dies als eine schöne Brücke zwischen unseren Forschungsgruppen, um diesen neuen Raum zu schaffen, an dem damals, glaube ich, noch nicht viele Leute arbeiteten, und zwar auf eine Weise, die skalierbar und wirkungsvoll sein könnte“, sagte Alabi.

Die Forscher hatten die Idee, einen Biokonjugationsansatz zu verwenden, der es ermöglichen würde, die Proteine ​​in Lipidnanopartikel zu laden, die sich um Nukleinsäuren bilden. Ein großer Vorteil dieses Ansatzes war, dass Lipidnanopartikel eine Schlüsselkomponente in den erfolgreichen COVID-19-Impfstoffen von Pfizer-BioNTech und Moderna waren.

„Damals war diese Technologie gerade richtig im Kommen“, sagte Alamgir.

Diese Impfstoffe funktionierten, indem sie eine Ladung in Form von Boten-RNA, also Nukleinsäuren, abgaben. Die Forscher würden nun dasselbe Konzept der Abgabe von Lipid-Nanopartikeln verwenden – sogar dieselben Materialien –, allerdings mit einer Proteinladung. Der Trick wäre, Proteine ​​mehr wie Nukleinsäuren aussehen zu lassen.

Die Forscher fanden heraus, dass ihnen dies dadurch gelingt, dass sie die Proteine ​​mit einem negativ geladenen Ion „umhüllen“, sodass diese sich elektrostatisch mit den positiv geladenen Lipiden verbinden.

„Der Kern unserer Strategie ist konzeptionell sehr einfach“, sagte Alamgir. „Wir nehmen Proteine ​​und gestalten ihre Oberflächen gezielt mit negativen Ladungen um, sodass sie wie Nukleinsäuren aussehen und sich auf ähnliche Weise zu Nanopartikeln zusammensetzen können, wenn sie mit den charakteristischen Lipiden formuliert werden.“

Eine Schwierigkeit, auf die das Team stieß, bestand darin, dass die Bedingungen, unter denen Nukleinsäuren sich mit den Lipiden verbinden oder Komplexe mit ihnen bilden, ziemlich harsch sind – zu harsch für Proteine.

„Wir mussten mildere Bedingungen und eine leicht modifizierte Formulierung verwenden, bei der wir zusätzliche Lipide hinzufügten“, sagte Alabi. „Sowohl von der Proteinbiokonjugationsseite als auch von der Lipidseite mussten wir die Formulierung also optimieren, damit es so gut funktioniert, wie es funktioniert.“

Dem Team, zu dem auch der Doktorand und Co-Autor Souvik Ghosal gehörte, gelang es, die Tarnmethode mit Lysin-reaktiven sulfonierten Verbindungen erfolgreich vorzuführen, indem Krebszellen mit Ribonuklease A abgetötet und die Tumorsignalisierung mit monoklonalen Immunglobulin-G-Antikörpern (IgG) gehemmt wurden.

Ein weiterer Vorteil der von dem Team verwendeten Biokonjugationschemie besteht darin, dass der Prozess reversibel ist. Die chemische Markierung, die dem Protein hinzugefügt wird, löst sich ab, sobald es in das Zytoplasma der Zelle gelangt ist. Und da die Biokonjugationsmethode auf Lysin abzielt – eine Aminosäure, die in natürlichen Proteinen in großen Mengen vorkommt – kann die Technik für praktisch jedes Protein repliziert werden.

„Dadurch besteht das Potenzial, viele handelsübliche Proteine, die derzeit bei vielen Biowissenschaftshändlern und Biotechnologieunternehmen erhältlich sind, für neuartige intrazelluläre Anwendungen umzufunktionieren“, sagte Alamgir.