Wissenschaftler kapern natürliches Transportsystem, um künstlich hergestellte Proteine ​​an Zielzellen zu senden

Jede Zelle im Körper verfügt über ihr eigenes, einzigartiges Transportsystem, an dessen Nutzung Wissenschaftler arbeiten, um revolutionäre biologische Medikamente – Moleküle wie Proteine, RNA und Kombinationen aus beiden – zu bestimmten erkrankten Körperteilen zu transportieren.

Eine neue Studie der Northwestern University kaperte das Transportsystem und schickte winzige, virusgroße Behälter, um ein künstlich erzeugtes Protein effektiv an seine Zielzelle zu liefern und eine Veränderung der Genexpression der Zelle auszulösen.

Der Erfolg beruhte darauf, dass man künstlich erzeugte Proteine ​​dazu anregte, sich in Richtung einer bestimmten Zellmembranstruktur zu bewegen. Die Forscher fanden heraus, dass sich dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöhte, mit der sich ein Protein an den Behälter heften konnte.

Veröffentlicht im Juli in der Zeitschrift NaturkommunikationIn der Abhandlung wird behauptet, dass die neue Technik verallgemeinerbar sei und den Weg für das Ziel einer gezielten Verabreichung biologischer Arzneimittel ebnen könnte.

Die Forscher

Die Forschung kombiniert die Arbeit zweier Labore des Center for Synthetic Biology der Northwestern University: die der Biomedizintechnikerin Neha Kamat und die des Chemie- und Biotechnikers Josh Leonard. Das Kamat-Labor hat sich hauptsächlich auf die Entwicklung synthetischer Behälter konzentriert und verwendet biophysikalische Prinzipien, um Moleküle zu steuern, die auf andere Zellen abzielen. Leonards Labor entwickelt Werkzeuge zum Bau dieser natürlichen Transportbehälter, die als extrazelluläre Vesikel (EVs) bezeichnet werden.

Justin Peruzzi und Taylor Gunnels leiteten die Studie gemeinsam als Doktoranden in Kamats Labor. Gunnels‘ Arbeit im Labor ist noch nicht abgeschlossen, und Peruzzi, der seinen Doktortitel abgeschlossen hat, arbeitet als Wissenschaftler bei einem Unternehmen für proteinbasierte Medizin.

Die Vorgehensweise

„Wir wollten einige der biophysikalischen Erkenntnisse anwenden, die sich daraus ergeben haben, wie man Proteine ​​in bestimmten Membranstrukturen lokalisiert, damit wir dieses natürliche System kapern können“, sagte Kamat, Co-Autor der Studie und außerordentlicher Professor an der McCormick School of Engineering. „In dieser Studie entdecken wir allgemeine Möglichkeiten, diese Vesikel sehr effizient mit Medikamenten zu beladen und dabei ihre Funktion zu bewahren.“

Der Schlüssel zu diesem Ansatz der „Ladungsbeladung“ sind Stellen auf Zellmembranen, die als Lipidflöße bezeichnet werden. Diese Bereiche sind stärker strukturiert als der Rest der Membran und enthalten zuverlässig bestimmte Proteine ​​und Lipide.

Da EV-Membranen dieselben Lipide enthalten wie Lipidflöße, vermuteten die Forscher, dass man die EVs mit Proteinen beladen könnte, die so verändert wurden, dass sie sich mit Lipidflößen verbinden, und sie so an andere Zellen weitergeben könnten.

Anhand von Proteindatenbanken und Laborexperimenten stellte das Team fest, dass ihre Lipid-Raft-Assoziationsmethode es ermöglichte, bis zu 240 Mal mehr Protein in Vesikel zu laden.

In einer praktischen Anwendung der Methode veränderte das Team Zellen so, dass sie ein Protein namens Transkriptionsfaktor produzierten. Sie luden es in EVs und lieferten es dann an eine Zelle, um die Genexpression der Empfängerzelle zu verändern – ohne die Funktion des Proteins bei der Lieferung zu beeinträchtigen.

Die zentrale Herausforderung

Kamat und Leonard sagten, die größte Herausforderung beim Laden therapeutischer Fracht in EVs liege darin, dass die Produzentenzelle und die Empfängerzelle oft im Widerspruch zueinander stünden. In der Zelle, die das EV produziert, könnte man beispielsweise die therapeutische Fracht so manipulieren, dass sie eng mit einer Membran verbunden ist, um die Chance zu erhöhen, dass sie in ein bald freigesetztes EV gelangt. In einer Empfängerzelle ist dieses Verhalten jedoch oft unerwünscht, da sich die Fracht möglicherweise von der EV-Membran lösen und in den Zellkern bewegen muss, um ihre biologische Funktion zu erfüllen.

Die Antwort war die Schaffung von Fracht mit reversiblen Funktionen.

„Werkzeuge, die eine reversible Membranassoziation ermöglichen, könnten bei der Entwicklung von Medikamenten auf EV-Basis sehr leistungsfähig sein“, sagte Gunnels. „Obwohl wir uns über den genauen Mechanismus noch nicht im Klaren sind, sehen wir mit unserem Ansatz Hinweise auf diese Reversibilität. Wir konnten zeigen, dass wir durch die Modulierung von Lipid-Protein-Interaktionen unsere therapeutische Modellfracht laden und funktionell liefern konnten.“

Mit dieser Studie sind die Forscher der Lösung eines großen Engpasses bei der Entwicklung biologischer Arzneimittel einen Schritt näher gekommen: Sie wollen herausfinden, wie sichergestellt werden kann, dass empfindliche Moleküle durch den Körper wandern und die erkrankten Zellen eines Patienten erreichen, ohne gesunde Zellen zu beeinträchtigen.

Die Forscher sagten, sie würden den Ansatz gern mit medizinischer Fracht für Krankheitsanwendungen in der Immuntherapie und regenerativen Medizin ausprobieren.

„Wenn es uns gelingt, funktionale Biomedikamente in Elektrofahrzeuge zu laden, die so konstruiert sind, dass sie diese Biomoleküle ausschließlich an erkrankte Zellen abgeben, können wir die Tür zur Behandlung aller Arten von Krankheiten öffnen“, sagte Leonard, der Co-Autor und McCormick-Professor.