RNA-Lipid-Nanopartikel-Engineering stoppt Leberfibrose in ihren Bahnen, kehrt Schäden um

Seit dem Erfolg des COVID-19-Impfstoffs sind RNA-Therapien Gegenstand eines zunehmenden Interesses in der Biotech-Welt. Diese Therapien arbeiten mit Ihrem Körper zusammen, um die genetische Wurzel von Krankheiten und Infektionen zu bekämpfen, eine vielversprechende alternative Behandlungsmethode zu traditionellen Arzneimitteln.

Lipid-Nanopartikel (LNPs) werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Arzneimittelabgabe eingesetzt. Von der FDA zugelassene Therapien verwenden sie als Vehikel für die Abgabe von Boten-RNA (mRNA), die die Zelle dazu veranlasst, neue Proteine ​​herzustellen, und von kleiner interferierender RNA (siRNA), die die Zelle anweist, die Expression bestimmter Proteine ​​zum Schweigen zu bringen oder zu hemmen.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung einer erfolgreichen RNA-Therapie ist ihre zielgerichtete Verabreichung. Die Forschung stellt sich nun den aktuellen Einschränkungen von LNPs, die viele Krankheiten ohne eine wirksame RNA-Therapie hinterlassen haben.

Leberfibrose tritt auf, wenn die Leber wiederholt geschädigt wird und der Heilungsprozess zur Ansammlung von Narbengewebe führt, was eine gesunde Leberfunktion behindert. Es ist eine chronische Krankheit, die durch den Aufbau einer übermäßigen kollagenreichen extrazellulären Matrix (ECM) gekennzeichnet ist. Die Behandlung von Leberfibrose mit RNA-Therapien ist nach wie vor eine Herausforderung, da es an Verabreichungssystemen für aktivierte, in der Leber ansässige Fibroblasten mangelt. Sowohl die solide Fibroblastenstruktur als auch der Mangel an Spezifität oder Affinität, auf diese Fibroblasten abzuzielen, hat aktuelle LNPs daran gehindert, in aktivierte Leber-residente Fibroblasten einzudringen, und daher sind sie nicht in der Lage, RNA-Therapeutika zu liefern.

Um dieses Problem anzugehen und dazu beizutragen, Millionen von Menschen, die an dieser chronischen Krankheit leiden, eine Behandlung zu bieten, haben Michael Mitchell, J. Peter und Geri Skirkanich Assistant Professor of Innovation in der Abteilung für Bioengineering und die Postdoktoranden Xuexiang Han und Ningqiang Gong gegründet eine neue Methode zur Synthese von Liganden-gebundenen LNPs, die ihre Selektivität erhöht und es ihnen ermöglicht, auf Leberfibroblasten abzuzielen.

Lulu Xue, Margaret Billingsley, Rakan El-Mayta, Sarah J. Shepherd, Mohamad-Gabriel Alameh und Drew Weissman, Roberts Family Professor für Impfstoffforschung und Direktor des Penn Institute for RNA Innovation an der Perelman School of Medicine, trugen ebenfalls dazu bei Arbeit.

Ihre Studie, veröffentlicht in Naturkommunikationzeigt, wie ein niedermolekularer Ligand, der in die Synthese des ionisierbaren Lipids, einer Schlüsselkomponente des LNP, eingebaut wird, eine Affinität zu den notorisch schwer zu erreichenden aktivierten Fibroblasten in der Leber erzeugt, die für den Aufbau von Kollagen verantwortlich sind.

Der Kollagenaufbau wird von einer erhöhten Expression von Heat Shock Protein 47 (HSP47) begleitet, dem Protein, das die Kollagenbiogenese und -sekretion antreibt. Die Überexpression von HSP47 und die erhöhte Kollagenbiogenese schreiten schließlich zur Fibrose fort.

Sobald ihre LNPs ankommen und in die Zielzelle eindringen, wird siRNA freigesetzt, die die Expression von HSP47 zum Schweigen bringt, die Produktion von Kollagen hemmt und die Fibrose in ihren Bahnen stoppt. Die Behandlung, die sich bei Mäusen als erfolgreich erwiesen hat, ist eine vielversprechende Behandlung für Leberfibrose beim Menschen.

Dieser neuartige Ansatz zur Synthese ionisierbarer Lipide ist der Schlüssel, um viele weitere Türen für die RNA-Therapie zur Behandlung verschiedener Krankheiten zu öffnen.

„Um LNPs selektiv genug zu machen, um hepatische Sternzellen anzugreifen, die die Fibrose antreiben, haben wir einen Anisamid-Liganden, ein Molekül, das eine hohe Affinität für den Rezeptor auf diesen Sternzellen hat, in die Struktur des ionisierbaren Lipids eingebaut“, sagt Mitchell. „Im Wesentlichen haben wir einen Schloss-und-Schlüssel-Mechanismus entwickelt, um die Lieferung an diese schwer zugänglichen Zellen zu zielen und zu entsperren.“

Das Syntheseverfahren wurde von Han und Kollegen als „Eintopf-Zweistufen“-Verfahren entwickelt. Um eine Bibliothek ionisierbarer Lipide zu erstellen, fügte das Team zunächst einen Anisamid-Liganden (AA)-Vorläufer und verschiedene Aminokerne zusammen. Anschließend fügten sie den hydrophoben Schwanz hinzu, um AA-gebundene ionisierbare Lipide zu erzeugen. Anisamid wurde aufgrund seiner neutralen und stabilen Natur sowie seiner Affinität zu den überexprimierten Sigmarezeptoren auf Sternzellen als Ligand ausgewählt. Nachdem die Bibliothek der AA-gebundenen LNPs erstellt war, analysierte das Team ihre Fähigkeiten, die Zellen durch einen zweistufigen Auswahlprozess gezielt zu therapieren und an diese abzugeben.

„Wir mussten einen spezifischen AA-gebundenen LNP finden, der sowohl stark als auch selektiv ist“, sagt Han. „Die erste Runde des Auswahlverfahrens wurde durchgeführt, indem untersucht wurde, wie gut unsere LNPs das grün fluoreszierende Protein (GFP) in Fibroblasten abbauen konnten, um die Wirksamkeit zu messen. GFP liefert großartige visuelle Beweise dafür, wie therapeutische RNA die Genexpression in Echtzeit ausschaltet.“

„In der zweiten Runde haben wir die selektive Fähigkeit des potenten LNP getestet“, sagt Han. „Wir taten dies, indem wir den Sigmarezeptor blockierten, um zu verstehen, wie wichtig die spezifische AA-Ligandengruppe für die Fähigkeit der LNPs war, in Zielzellen einzudringen. Wenig überraschend zeigten wir, dass die AA-Gruppe signifikant war; nach der Sigmarezeptorblockade verloren wir die Sperre -und-Schlüssel-Mechanismus und das AA-gebundene LNP würde nicht in die Zielzelle eindringen.“

Das Team identifizierte AA-T3A-C12 als sowohl potentes als auch selektives LNP, das therapeutische siRNA trägt, das in der Lage ist, die HSP47-Expression in Mäusen um 65 % zu unterdrücken und die Wiederherstellung von geschädigtem Lebergewebe zu verbessern. Die Ergebnisse der Studie kommen zu dem Schluss, dass der AA-T3A-C12-LNP den MC3-LNP übertrifft, einen klinisch genutzten nicht-viralen Vektor, der von der FDA für die Verwendung in der Leber- oder Leberzell-RNA-Therapie zugelassen wurde.

Dieses neue Liganden-gebundene LNP bietet eine Form der Behandlung von Leberfibrose, und das Syntheseverfahren bietet eine Möglichkeit, LNPs auf andere zuvor schwer zu erreichende Zellen und Gewebe im Körper zuzuschneiden.

„Das Potenzial von LNPs ist enorm“, sagt Han. „Wir machen LNPs intelligenter und effizienter.“

„Wir freuen uns, eine potenzielle Behandlung entwickelt zu haben, die an der genetischen Wurzel dieser Lebererkrankung ansetzt“, sagt Mitchell. „Und da dieses LNP-Liefervehikel in fibrotischen Zellen der Leber wirkt, kann es zur Entwicklung einer Behandlung für andere Arten von Fibrose im Körper führen, wie z. B. Fibrose, die in der Lunge oder in Tumoren entsteht.“

„Über das hinaus, was wir in der Leber untersucht haben, kann diese Methode zur Herstellung von LNPs verwendet werden, um die Abgabe von Therapien an andere Zelltypen freizuschalten“, fügt er hinzu. „Wir könnten möglicherweise Zellen im Gehirn, in der Lunge oder im Herzen angreifen, indem wir spezifische Targeting-Liganden in die ionisierbare Lipidstruktur einbauen. Von hier aus gibt es viele Wege, und wir freuen uns darauf, diese Forschung in neue Richtungen weiter voranzutreiben.“