Недавнее исследование демонстрирует, что инновационный биомедицинский метод может эффективно внедрять генетический материал для коррекции дефектных генов в развивающихся клетках мозга плода. Испытанная на мышах технология обещает быть перспективным средством для предотвращения прогрессирования генетических нейроразвивающих нарушений, таких как синдром Ангельмана и синдром Ретта, ещё до рождения.
Значение этого метода в лечении нейроразвивающихся нарушений неоценимо. Это может позволить нам исправлять генетические дефекты в критически важные периоды развития мозга.
Айцзюнь Ван, ведущий автор исследования и профессор хирургии и биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Дэвисе
Исследование, проведенное совместными усилиями лабораторий Ванга и Мурти в Калифорнийском университете в Беркли, опубликовано в журнале ACS Nano. Исследовательская группа надеется, что эта технология станет основой для разработки методов лечения генетических заболеваний, которые можно будет выявить в ходе пренатального тестирования. Потенциально лечение можно применять в утробе, чтобы минимизировать повреждения по мере роста и формирования клеток.
Белки играют центральную роль в жизнедеятельности организма, формируясь внутри клеток по инструкциям, которые передаёт мРНК. Порой гены вырабатывают белки в избытке или в недостатке, вызывая необходимость в подавлении гиперактивных генов или пополнении дефицита белков.
«Белки сложны по своей структуре, что делает их доставку трудным процессом. Это всегда было огромной задачей и мечтой в контексте лечения заболеваний», — пояснил Ван.
Вместо проведения доставки белков учёные избрали иную стратегию: перенос мРНК в клетки, где будут осуществляться синтезы функциональных белков. Этот метод базируется на использовании инновационных липидных наночастиц (ЛНП) для транспортировки мРНК внутрь клеток, обеспечивая передачу генетической информации для синтеза необходимых белков.
Применение ЛНП при доставке мРНК находит применение в различных медицинских областях, включая вакцины, генную терапию и заместительную белковую терапию. В недавнее время популярность метода возросла благодаря вакцинам против COVID-19 от компаний Pfizer и Moderna.
Исследователи под руководством Вана и Мурти разработали новую формулу ЛНП, обеспечивающую безопасную и эффективную транспортировку мРНК. Эти наночастицы проникают в клетки через процесс эндоцитоза, где ЛНП распадаются, высвобождая мРНК. Размер мРНК составляет порядка 100 нанометров, что в десятки тысяч раз меньше толщины листа бумаги.
«Мы разработали ЛНП с инновационным кислотно-разлагаемым линкером, который позволяет наночастицам быстро распадаться внутри клеток с минимальной токсичностью», — отметил Нирен Мурти, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли.
«При поглощении клетками ЛНП разрушаются в кислой среде эндосомы, что приводит к высвобождению мРНК в цитозоль для последующего синтеза белков», — добавил Ван, подчёркивая, что мРНК должна быть именно в этом месте для надежной и функциональной работы.
Важной составляющей является баланс между эффективностью и токсичностью. Клеткам следует поглощать нужное количество ЛНП, чтобы синтезировать достаточное количество белков. Низкая эффективность поглощения потребует увеличения дозировок, что может спровоцировать нежелательные иммунные реакции.
«Основным препятствием стал вопрос токсичности, особенно при доставке мРНК в центральную нервную систему, что часто приводит к воспалительным реакциям», — подчеркнул Ван.
Исследование показало, что использование ЛНП для транспортировки мРНК более эффективно, что снижает потребность в высоких дозах. Технология особенно ценна для терапии генетических расстройств центральной нервной системы в утробе матери.
Исследователи тестировали свой подход на гене, ассоциированном с синдромом Ангельмана, редким нарушением. В ходе беременности повреждения могут накапливаться до рождения ребенка, потому важно внедрить терапию до полного формирования гематоэнцефалического барьера.
В эксперименте в желудочки мозга мышей вводились ЛНП с мРНК, транслирующейся в белок CAS9, способный редактировать ген, ассоциированный с синдромом Ангельмана.
«МРНК можно сравнить с инструкцией Lego, где описано, как собирать детали для формирования необходимых белков. Клетка имеет все «детали» для сборки CAS9; наша задача — предоставить мРНК последовательно», — объяснил Ван.
Выяснено, что ЛНП эффективно доставляет мРНК, которая переводится в CAS9, что позволяет исследователям наблюдать за всеми изменёнными нейронами в мозге. Наночастицы проникают в развивающиеся нейронные стволовые клетки, способствуя редактированию генов в больших масштабах (до 30% стволовых клеток).
«Достижение трансфекции 30% всего мозга, в особенности стволовых клеток, является значительным прорывом. Эти клетки имеют свойство мигрировать и распространяться по всему мозгу по мере развития плода», — отметил Ван.
Со временем, по мере развития плода, стволовые клетки перемещаются и формируют центральную нервную систему. В ходе исследования выяснилось, что более 60% нейронов в гиппокампе и 40% в коре были трансфицированы.
«Данные результаты открывают огромные перспективы для лечения генетических заболеваний центральной нервной системы. Дети могут рождаться без каких-либо явных симптомов», — объяснил Ван.
Ван предполагает, что у больных мышей доля трансфицированных клеток будет выше.
«Нейроны с мутациями могут погибнуть от осложнений болезни, тогда как здоровые клетки будут процветать и размножаться. Этот процесс может усилить терапевтические эффекты. Используя знания о функционировании клеток, мы можем лучше влиять на их природные процессы», — добавил он.
Разработчики рассчитывают, что их исследования поспособствуют созданию новых методов терапии генетических заболеваний, диагностируемых при пренатальном тестировании. Также они верят, что технология найдёт применение и в лечении иных недугов, таких как рак и неврологические заболевания.
Учёные намерены совершенствовать эффективность и безопасность технологии. Планируется провести клинические испытания, чтобы оценить эффективность лечения на людях.
Источник: iXBT
