Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem ein erfahrener Hacker wichtige Software hochladen muss, um einen zentralen Server zu aktualisieren und zu verhindern, dass ein potenziell tödlicher Virus in einem riesigen Computernetzwerk Chaos anrichtet. Der Programmierer, der mit dem lebensrettenden Code ausgestattet ist, muss sich durch gefährliches Gebiet voller Gegner navigieren. Der Erfolg hängt davon ab, ob er schnell ein sicheres, verstecktes Transportmittel findet, mit dem der Hacker genau dort hinkommt, wo er hin muss.
Im Kontext der modernen Medizin dient Messenger-RNA (mRNA) als Hacker, der genetische Anweisungen zur Produktion spezifischer Proteine in Zellen überträgt, die gewünschte Immunreaktionen auslösen oder fehlangepasste Zellelemente binden können. Lipidnanopartikel (LNPs) sind die versteckten Transportmittel, die diese fragilen mRNA-Moleküle durch den Blutkreislauf zu ihren Zielzellen transportieren. Dabei überwinden sie die Abwehrkräfte des Körpers und liefern ihre Ladung sicher und effizient ab.
Doch ähnlich wie beim Bau eines modernen Tarnkappenfahrzeugs ist die Synthese kationischer Lipide – einer Art positiv geladener Lipidmoleküle und Schlüsselkomponente von LNPs – oft ein zeitaufwändiger Prozess, der mehrere Schritte der chemischen Synthese und Reinigung umfasst.
Michael Mitchell und ein Team an der University of Pennsylvania haben sich dieser Herausforderung nun mit einem neuartigen Ansatz gestellt, der eine als „Click-like Chemistry“ bekannte Technik zur Herstellung von Verbindungsbibliotheken nutzt, um LNPs in einem einzigen, einfachen Schritt zu erzeugen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht im Journal Naturchemiezeigen, dass diese Methode nicht nur den Syntheseprozess beschleunigt, sondern auch eine Möglichkeit bietet, diese Trägersysteme mit einem „GPS“ auszustatten, um bestimmte Organe wie Leber, Lunge und Milz besser anzusteuern und so möglicherweise neue Wege für die Behandlung einer Reihe von Erkrankungen dieser Organe zu eröffnen.
„Wir haben ein sogenanntes Amidin-inkorporiertes abbaubares Lipid (AID) entwickelt, ein einzigartig strukturiertes biologisch abbaubares Molekül“, sagt Mitchell. „Stellen Sie es sich als ein leicht zu bauendes, maßgeschneidertes mRNA-Fahrzeug mit einem Bodykit vor, das sein Navigationssystem steuert. Indem wir seine Form und Abbaubarkeit anpassen, können wir die mRNA-Abgabe in Zellen auf sichere Weise verbessern. Indem wir die Menge des AID-Lipids anpassen, das wir in das LNP einbauen, können wir es auch zu verschiedenen Organen im Körper leiten, ähnlich wie man verschiedene Ziele in ein GPS programmieren würde.“
Der Erstautor Xuexiang Han, ein ehemaliger Postdoktorand im Mitchell Lab, erklärt, dass ihr neuer Ansatz die schnelle Schaffung vielfältiger Lipidstrukturen in nur einer Stunde ermöglicht, im Vergleich zum traditionell erforderlichen mehrwöchigen Prozess.
„Das Ergebnis ist eine deutliche Beschleunigung der Entwicklung und Erprobung von AID-Lipiden“, sagt er. „Dadurch können wir ein breiteres Spektrum an Lipidzusammensetzungen und deren Auswirkungen auf die mRNA-Abgabe untersuchen.“
Um diese beschleunigten AID-Lipid-Aufbauten zu erreichen, nutzten die Forscher eine Tandem-Mehrkomponentenreaktion (T-MCR) zur Synthese der AID-Lipide. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem chemische Verbindungen – ein Amin, ein Thiol und ein Acrylat – in einem einzigen Schritt kombiniert werden, um schnell verschiedene Lipidstrukturen zu erzeugen. Der Eintopf-Syntheseansatz verkürzt die zur Herstellung kationischer Lipide benötigte Zeit erheblich und stellt damit eine effizientere und skalierbarere Lösung für die mRNA-LNP-Abgabe dar.
Mitchells Team synthetisierte 100 verschiedene AID-Lipide, die dann zu LNPs verarbeitet wurden. Die daraus entstandenen LNPs wurden in Tiermodellen auf ihre Fähigkeit getestet, mRNA an verschiedene Organe zu liefern. Dabei zeigte sich dem Team, dass sie bestimmte Organe mit hoher Präzision ansteuern konnten.
Ein wesentliches Merkmal dieser AID-Lipide ist ihre Fähigkeit, abbaubare Komponenten zu integrieren, wodurch sichergestellt wird, dass die LNPs nach der Abgabe ihrer mRNA-Ladung sicher im Körper abgebaut werden. Diese biologische Abbaubarkeit ist wichtig, um mögliche Nebenwirkungen zu minimieren und sicherzustellen, dass sich die therapeutischen Wirkstoffe im Laufe der Zeit nicht im Körper ansammeln. Die Forscher zeigten, dass die AID-Lipid-LNPs mRNA-kodierende funktionelle Proteine effektiv abgeben konnten, was ihr Potenzial für den Einsatz in einer breiten Palette therapeutischer Anwendungen unterstreicht.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die Identifizierung einer speziellen Kopf- (oder Schwanz-)Ring-Alkylanilin-Struktur, die sich als besonders wirksam bei der Verbesserung der mRNA-Abgabe erwies. Diese Struktur, die das Team als „Keileffekt“ bezeichnete, ermöglicht es den LNPs, Zellmembranen effizienter zu durchdringen, was die Freisetzung von mRNA in die Zielzellen erleichtert. Die Studie zeigte, dass LNPs mit dieser Struktur im Vergleich zu LNPs ohne diese Struktur eine höhere Transfektionseffizienz und höhere Proteinexpressionsniveaus erreichten.
Die Forscher untersuchten auch das Potenzial von AID-Lipid-LNPs zur Verabreichung von mRNA-Impfstoffen, die auf bestimmte Immunzellen abzielen, und zeigten, dass diese LNPs selektiv Antigen-präsentierende Zellen in der Milz transfizieren können, ein entscheidender Schritt zur Auslösung robuster Immunreaktionen.
„Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von mRNA-basierten Impfstoffen, die das Immunsystem gezielt ansprechen und aktivieren können, was möglicherweise zu einer wirksameren und länger anhaltenden Immunität gegen verschiedene Krankheiten führt“, sagt Han.
Während Mitchell und das Team ihre Plattform weiter verfeinern, konzentrieren sie sich auf eine noch präzisere Zielerfassung, insbesondere in der Lunge.
„Wir arbeiten jetzt daran, unsere Vehikel an der ersten Barriere der Blutgefäße vorbei zu leiten, um tiefer in das Lungengewebe vorzudringen“, sagt Mitchell. „Das ist ein bisschen so, als würden wir unser Liefersystem so programmieren, dass es durch immer komplexere Sicherheitsschichten navigieren kann.“
Mehr Informationen:
Xuexiang Han et al., Schnelle und einfache Synthese von abbaubaren Lipiden mit eingebautem Amidin für die vielseitige mRNA-Abgabe in vivo, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01557-2