Ta niesamowita strzykawka molekularna może przemycać leki i terapie genowe do ludzkich komórek

Mała strzykawka molekularna o dziwacznym pochodzeniu może rozwiązać jeden z najtrudniejszych problemów w medycynie: dostarczanie leków do docelowych miejsc w ciele. Źródło? Bakterie żyjące w jelitach owadów.

Dziecko mózgu dr Feng Zhanga z Howard Hughes Medical Institute i Broad Institute, sprężynowa nanomaszyna wygląda trochę jak statek rakietowy. Po zadokowaniu iniektor strzela w dół, aby przeniknąć do komórek i dostarczyć cenny ładunek.

Po dalszym rozwoju, iniektory molekularne mogłyby przenosić immunoterapie przeciwnowotworowe tylko do komórek nowotworowych, oszczędzając zdrowe i ograniczając skutki uboczne. System może również bezpiecznie tunelować do mózgu – notorycznie trudnego narządu dla leków – potencjalnie transportując białka, które mogą pomóc w diagnozowaniu udarów, choroby Alzheimera i innych zaburzeń neurologicznych.

Opublikowano w Natura, wtryskiwacz został zainspirowany królestwem bakterii. Zhang nie jest obcy w badaniu ciemnej materii biowersum. Najbardziej znany ze swojej przełomowej pracy nad edycją genów CRISPR-Cas9, która powstała jako bakteryjny system obrony przed wirusami, Zhang od dawna czerpie wskazówki z ewolucji, aby tworzyć biotechnologiczne cuda nowej generacji.

Tym razem jednak jego zespół włączył innego współpracownika: AlfaFold.

Opracowana przez DeepMind sztuczna inteligencja trafiła na pierwsze strony gazet dzięki swojej niesamowitej zdolności przewidywać struktury białek. Wykorzystując narzędzie, zespół zoptymalizował podstawową część bakteryjnego wstrzykiwacza, zmieniając go z preferowanego celu — komórek owadzich — na różne myszy i ludzkie komórki.

Kilka badań potwierdzających słuszność koncepcji, zarówno na hodowanych komórkach, jak i na myszach, wykazało sprawność nowej strzykawki. Jeden eksperyment dostarczył toksynę do komórek nowotworowych bez szkody dla innych. Inny wstrzyknął Cas9 – białkowe „nożyczki” w narzędziu do edycji genów CRISPR – do hodowanych komórek ludzkich i edytował docelowe geny z dużą wydajnością.

Ta zdolność plug and play sprawia, że ​​system jest potężnym dostawcą. „Pokazujemy, że po prostu umieszczając znacznik na białku, możemy załadować różne rodzaje białek do tych igieł” powiedziany Zhang.

„Zdolność do dostarczania określonych białek do określonych typów komórek stwarzałaby ogromny potencjał dla badań w naukach przyrodniczych, a także w leczeniu chorób” powiedziany Charles Ericson i dr Martin Pilhofer z ETH Zürich, którzy nie byli zaangażowani w te prace.

System, w połączeniu z innymi, stanowi podstawę potężnego zestawu narzędzi typu „mix-and-match” zarówno dla badań naukowych, jak i medycyny. Chociaż obecnie zdolne są jedynie do przenoszenia białek, dokooptowanie innych naturalnych strzykawek molekularnych mogłoby rozszerzyć system na DNA i inne biomolekuły.

„To wciąż za wcześnie na tę technologię” — powiedział Zhang.

Koszmary dostawy

Wyobraź sobie dostarczanie leków jako DoorDash. Chcesz, aby Twoje zamówienie dotarło tylko do Ciebie, a nie do sąsiadów iz jedzeniem w nienaruszonym stanie.

Brzmi to banalnie, ale jest to zadanie trudne do osiągnięcia przy pomocy leków i terapii genowej. Leki w postaci pigułek, plastrów lub igieł dożylnych – pomyśl o torebkach z solą fizjologiczną lub chemioterapiach – dostają się do krwioobiegu. W rezultacie zalewają różne narządy i tkanki i często powodują skutki uboczne.

W przeciwieństwie do tego innym problemem jest to, że niektóre leki nie mogą wniknąć w swoje cele. Komórki to fortece otoczone dwuwarstwową błoną tłuszczową, z mechanizmami, które czasami aktywnie wypluwają niechcianych intruzów. Kiedy tymi intruzami są elementy terapii genowej lub białka terapeutyczne, system obronny komórek staje się ogromnym bólem głowy.

Naukowcy opracowali sposoby na ominięcie tych mechanizmów obronnych. Jednym z nich jest wykorzystywanie nieszkodliwych wirusów do przemycania materiałów szczepionkowych. Innym są nanosfery lipidowe, które składają się z małych pęcherzyków tłuszczu. Po połączeniu z komórką bąbelki „pękają” i uwalniają ładunek. Systemy te, choć fundamentalne dla inżynierii genetycznej, nie są tak precyzyjne, jak byśmy tego chcieli. Wracając do analogii DoorDash, dasher da ci część twojego zamówienia, a resztę przyniesie twoim niczego niepodejrzewającym i niechętnym sąsiadom.

Inspiracja bakteryjna

W nowym badaniu Zhang odrzucił podręcznik i wyszedł całkowicie poza schemat. On i jego kolega Joseph Kreitz włączyli strzykawkę molekularną stworzoną przez ewolucję.

Nieoczekiwanym zasobem jest bakteria bioluminescencyjna, tzw Fotorabdus asymbiotyczny, który żyje w jelitach owadów. Przybywają potężnie uzbrojeni: każdy jest wyposażony w maleńkie strzykawki molekularne – o długości około 100 nanometrów – z „stopami”, które chwytają komórki gospodarza. Po zadokowaniu tłok przechodzi przez błonę komórki, wystrzeliwując toksynę, która zabija żywiciela, co z kolei pozwala bakteriom uciec i skolonizować inne komórki.

Niebezpiecznie brzmiący mechanizm – nazwany kurczliwym systemem wtrysku lub CIS – nie wydaje się pasować do bezpiecznego systemu dostarczania. Ale jedno dziwactwo przykuło uwagę zespołu: iniektory bakteryjne zwykle działają tylko z innymi bakteriami, a nie z komórkami zwierzęcymi. Dlaczego więc nie przełożyć fotorhabdus strzykawki do wstrzykiwania również ludzkich komórek?

Zespół najpierw dopracował część wtryskiwacza zwaną włóknami ogona. Te „rzeczy podobne do macek” pomagają nanomaszynie przyczepiać się do komórek, wyjaśnił Zhang. Kluczem jest dopasowanie receptorów, czyli stacji dokujących, na powierzchni komórek. Każdy typ komórek ma niezliczoną ilość doków unikalnych dla ich biologicznego charakteru — na przykład neuron ma kilka znacznie różniących się od komórek serca. Te z różnych żywych stworzeń są jeszcze bardziej rozbieżne.

Nic więc dziwnego, że strzykawki przeznaczone do pracy w komórkach owadzich zawiodły w ludzkich. Wiedząc, że włókna ogona są sednem, zespół zatrudnił nowego współpracownika: AlphaFold. Korzystając ze sztucznej inteligencji, zespół wygenerował model 3D trudnego białka znalezionego w regionie, który kieruje wstrzykiwacz w kierunku komórek owadzich.

Następnie genetycznie zmodyfikowali ten region, odcinając koniec włókna ogona i dodając różne kawałki białka, aby skierować iniektor do określonych komórek myszy i ludzi.

„[AlphaFold] dostarczył nam informacji potrzebnych do stworzenia nowej strategii dostarczania, którą można zmienić, aby kierować reklamy na różne komórki” powiedziany Kreitza.

Mieszać i łączyć

Zespół przetestował swoje programowalne wtryskiwacze w kilku eksperymentach.

W jednym załadowali strzykawkę białkiem, które po wstrzyknięciu powodowało, że komórki ludzkie w hodowli świeciły w ciemności żywą zielenią. Podobna strzykawka została przerobiona w celu wyśledzenia komórek nowotworowych usianych na jej powierzchni receptorem naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR). Naładowany toksynami lek zabił prawie wszystkie komórki z receptorem, ale oszczędził inne. Podobnie zespół z łatwością dostarczył Cas9 do różnych ludzkich komórek, które po dostarczeniu z przewodnikiem RNA edytowały genom w przewidywanych punktach.

Wreszcie, w ostatecznym teście, zespół wstrzyknął system do hipokampu myszy. Komórki nasycone fluorescencyjnym białkiem świeciły na jasnozielono. Co ważne, chociaż wstrzykiwacze pochodziły z bakterii, nie wywołały odpowiedzi immunologicznej.

System nie jest doskonały. Chociaż zespół jest skuteczny w testowanych tkankach, zespół ma nadzieję rozszerzyć swój zakres na różne typy tkanek i modele chorób. Kolejnym celem jest polowanie na inne naturalne wstrzykiwacze i potencjalne wyhodowanie z nich całej rodziny narzędzi do dostarczania – w duchu podobnym do rozwoju CRISPR. Na razie system przenosi tylko białka. Ale dalsza inżynieria mogłaby pozwolić na specyficzne dostarczanie DNA, RNA i innych biomolekuł, a być może nawet kontrolować ich dawkowanie.

„Jest jeszcze za wcześnie na to podejście, ale myślę, że naprawdę ważne jest zbadanie [zdolności systemu], aby móc leczyć wiele różnych rodzajów chorób, które wpływają na zdrowie ludzi” – powiedział Zhang.

Źródło zdjęcia: Joseph Kreitz, Broad Institute of MIT and Harvard, McGovern Institute for Brain Research at MIT

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/04/04/this-amazing-molecular-syringe-could-smuggle-drugs-and-gene-therapies-into-human-cells/