Questa illustrazione raffigura molecole di DNA (verde chiaro), confezionato in nanoparticelle utilizzando un polimero con due diversi segmenti. Un segmento (verde acqua) porta una carica positiva che lo lega al DNA, e l'altro (marrone) forma un rivestimento protettivo sulla superficie delle particelle. Regolando il solvente che circonda queste molecole, i ricercatori della Johns Hopkins e della Northwestern sono stati in grado di controllare la forma delle nanoparticelle. I test sugli animali del team hanno dimostrato che la forma di una nanoparticella potrebbe influenzare notevolmente l'efficacia con cui fornisce la terapia genica alle cellule. Le immagini dei cartoni in primo piano, ottenuta attraverso la modellazione computazionale, abbinato strettamente con le immagini di sfondo grigio, che sono stati raccolti mediante microscopia elettronica a trasmissione. Credito:Wei Qu, Università nordoccidentale, cartoni di simulazione; Xuan Jiang, Università John Hopkins, immagini microscopiche
I ricercatori delle università Johns Hopkins e Northwestern hanno scoperto come controllare la forma delle nanoparticelle che muovono il DNA attraverso il corpo e hanno dimostrato che la forma di questi vettori può fare una grande differenza nel modo in cui funzionano nel trattamento del cancro e di altre malattie.
Questo studio, da pubblicare nell'edizione online del 12 ottobre della rivista Materiale avanzato , è anche degno di nota perché questa tecnica di terapia genica non utilizza un virus per trasportare il DNA nelle cellule. Alcuni sforzi di terapia genica che si basano sui virus hanno comportato rischi per la salute.
"Queste nanoparticelle potrebbero diventare un veicolo di somministrazione più sicuro ed efficace per la terapia genica, mirare alle malattie genetiche, cancro e altre malattie che possono essere trattate con la medicina genetica, " disse Hai Quan Mao, un professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso la Whiting School of Engineering della Johns Hopkins.
Mao, co-autore corrispondente di Materiale avanzato articolo, ha sviluppato nanoparticelle non virali per la terapia genica per un decennio. Il suo approccio prevede la compressione di frammenti sani di DNA all'interno di rivestimenti protettivi polimerici. Le particelle sono progettate per fornire il loro carico genetico solo dopo che si sono mosse attraverso il flusso sanguigno ed sono entrate nelle cellule bersaglio. All'interno delle cellule, il polimero si degrada e rilascia DNA. Usando questo DNA come stampo, le cellule possono produrre proteine funzionali che combattono le malattie.
Un importante progresso in questo lavoro è che Mao e i suoi colleghi hanno riferito di essere stati in grado di "sintonizzare" queste particelle in tre forme, simili a canne, vermi e sfere, che imitano le forme e le dimensioni delle particelle virali. "Potremmo osservare queste forme in laboratorio, ma non capivamo del tutto perché assumessero queste forme e come controllare bene il processo, " disse Mao. Queste domande erano importanti perché il sistema di consegna del DNA che immagina potrebbe richiedere specifiche, forme uniformi.
Risolvere questo problema, Mao ha cercato aiuto circa tre anni fa dai colleghi della Northwestern. Mentre Mao lavora in un tradizionale laboratorio umido, i ricercatori della Northwestern sono esperti nel condurre esperimenti simili con potenti modelli di computer.
Erik Luijten, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e di matematica applicata presso la McCormick School of Engineering and Applied Science della Northwestern e co-autore dell'articolo, ha condotto l'analisi computazionale dei risultati per determinare il motivo per cui le nanoparticelle si sono formate in forme diverse.
"Le nostre simulazioni al computer e il modello teorico hanno fornito una comprensione meccanicistica, identificare ciò che è responsabile di questo cambiamento di forma, " Ha detto Luijten. "Ora possiamo prevedere con precisione come scegliere i componenti delle nanoparticelle se si vuole ottenere una certa forma".
L'uso di modelli al computer ha permesso al team di Luijten di imitare gli esperimenti di laboratorio tradizionali a un ritmo molto più veloce. Queste simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite su Quest, Il sistema informatico ad alte prestazioni della Northwestern. I calcoli erano così complessi che alcuni di essi richiedevano 96 processori per computer funzionanti contemporaneamente per un mese.
Nella loro carta, i ricercatori volevano anche mostrare l'importanza delle forme delle particelle nella somministrazione della terapia genica. I membri del team hanno condotto test sugli animali, utilizzando tutti gli stessi materiali particellari e lo stesso DNA. L'unica differenza era nella forma delle particelle:bastoncini, vermi e sfere.
"Le particelle a forma di verme hanno prodotto 1, 600 volte più espressione genica nelle cellule epatiche rispetto alle altre forme, " Ha detto Mao. "Ciò significa che la produzione di nanoparticelle in questa particolare forma potrebbe essere il modo più efficiente per fornire la terapia genica a queste cellule".
Le forme delle particelle utilizzate in questa ricerca sono formate impacchettando il DNA con polimeri ed esponendoli a varie diluizioni di un solvente organico. l'avversione del DNA per il solvente, con l'aiuto del polimero progettato dal team, fa sì che le nanoparticelle si contraggano in una certa forma con uno "scudo" attorno al materiale genetico per proteggerlo dall'essere eliminato dalle cellule immunitarie.
