Il primo confronto diretto delle tecniche di screening in vitro e in vivo per identificare le nanoparticelle che possono essere utilizzate per trasportare molecole terapeutiche nelle cellule mostra che i test in piatti di laboratorio non sono di grande aiuto nel prevedere quali nanoparticelle entreranno con successo nelle cellule degli animali viventi.

Il nuovo studio ha dimostrato i vantaggi di una tecnica di codifica a barre del DNA in vivo, che attacca piccoli frammenti di DNA a diverse nanoparticelle a base lipidica che vengono poi iniettate negli animali viventi; più di cento nanoparticelle possono essere testate in un singolo animale. Le tecniche di sequenziamento del DNA vengono quindi utilizzate per identificare quali nanoparticelle entrano nelle cellule di organi specifici, rendendo le particelle candidate per il trasporto di terapie geniche per curare killer come le malattie cardiache, cancro e morbo di Parkinson.

La tecnica tradizionale per identificare le nanoparticelle promettenti esamina come le particelle entrano nelle cellule viventi conservate nei piatti di laboratorio. Per confrontare le nuove e le vecchie tecniche di screening, i ricercatori hanno aggiunto nanoparticelle con codice a barre alle cellule viventi in piatti di laboratorio, e ha iniettato nanoparticelle identiche con codice a barre in modelli animali viventi. Non hanno trovato quasi alcuna correlazione tra le nanoparticelle identificate come promettenti nei test di laboratorio e quelle che effettivamente hanno funzionato bene nei topi.

"Il codice a barre del DNA ha il potenziale per far progredire la scienza della selezione delle nanoparticelle per la somministrazione di terapie geniche, " ha detto James Dahlman, un assistente professore presso il dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University e ricercatore principale dello studio. "Utilizzando questa tecnica, aziende e laboratori accademici potrebbero individuare nanoparticelle promettenti in modo molto più efficiente. Ciò potrebbe accelerare la velocità con cui le terapie a base di nanoparticelle entrano nella clinica, riducendo al contempo la quantità di test sugli animali necessari".

La ricerca, che è sostenuto dal National Institutes of Health, l'Istituto di ricerca sul cancro, Fondazione Fibrosi Cistica e Fondazione Malattia di Parkinson, è stato riportato il 28 febbraio sulla rivista Nano lettere . La ricerca è stata condotta da scienziati del Georgia Institute of Technology e della Emory University.

Terapie genetiche, come quelli a base di DNA o RNA, affrontare sfide a causa della difficoltà nel fornire l'acido nucleico alle cellule giuste. Negli ultimi due decenni, gli scienziati hanno sviluppato nanoparticelle costituite da un'ampia gamma di materiali e hanno aggiunto composti come il colesterolo per aiutare a trasportare questi agenti terapeutici nelle cellule. Ma lo sviluppo dei portatori di nanoparticelle è stato rallentato dalle sfide di testarli, primi nella coltura cellulare per identificare nanoparticelle promettenti, e poi negli animali. Con milioni di combinazioni possibili, identificare le nanoparticelle ottimali per colpire ogni organo è stato travolgente.

L'utilizzo di filamenti di DNA lunghi solo 58 nucleotidi per identificare in modo univoco ogni particella consente ai ricercatori di saltare del tutto lo screening della coltura cellulare e di testare un centinaio o più diversi tipi di nanoparticelle contemporaneamente in una manciata di animali.

"Se volessi testare 200 nanoparticelle in modo tradizionale, avresti bisogno di 600 topi, tre per ogni tipo di nanoparticella, " ha detto Dahlman. "Utilizzando la tecnica del codice a barre del DNA, che chiamiamo Joint Rapid DNA Analysis of Nanoparticles (JORDAN), siamo in grado di eseguire i test su soli tre animali".

Lo studio ha esaminato l'ingresso di nanoparticelle nelle cellule endoteliali e nei macrofagi per lo studio in vitro, e lo stesso tipo di cellule del polmone, cuore e midollo osseo per la componente in vivo. I due tipi di cellule sono importanti per un'ampia gamma di sistemi di organi del corpo e svolgono ruoli attivi in ​​malattie che potrebbero essere bersagli per le terapie con acido nucleico. Lo studio ha confrontato il modo in cui le stesse 281 nanoparticelle lipidiche hanno fornito i codici a barre in piatti di laboratorio e animali vivi.

"Non c'era capacità predittiva tra i test di laboratorio e i test sugli animali, " ha detto Dahlman. "Se i test in vitro fossero stati buoni predittori, poi le particelle che andavano bene nel piatto avrebbero fatto bene anche negli animali, e le particelle che hanno funzionato male nel piatto avrebbero funzionato male anche negli animali. Non l'abbiamo visto per niente".

Il gruppo di ricerca, guidato dai co-primi autori Kalina Paunovska e Cory D. Sago, ha anche studiato come cambia il rilascio di nanoparticelle con il microambiente di specifici tipi di tessuto. Per quello, hanno quantificato come 85 nanoparticelle hanno fornito codici a barre del DNA a otto popolazioni cellulari nella milza, e hanno scoperto che i tipi cellulari derivati ​​da progenitori mieloidi tendevano a essere presi di mira da nanoparticelle simili.

I ricercatori sono interessati non solo a quali nanoparticelle forniscono le terapie in modo più efficace, ma anche che può consegnarli selettivamente a organi specifici. Terapie mirate ai tumori, Per esempio, deve essere somministrato solo al tumore e non ai tessuti circostanti. Allo stesso modo, le terapie per le malattie cardiache dovrebbero accumularsi selettivamente nel cuore.

Le sequenze di codici a barre del DNA a filamento singolo utilizzate nella tecnica hanno all'incirca le stesse dimensioni degli oligonucleotidi antisenso, microRNA e siRNA in fase di sviluppo per possibili usi terapeutici. Altre terapie basate sui geni sono più grandi, e sarebbero necessarie ulteriori ricerche per determinare se la tecnica può essere utilizzata con loro.

Una volta identificate le nanoparticelle promettenti con lo screening, sarebbero sottoposti a ulteriori test per verificare la loro capacità di fornire terapie. Per evitare la possibilità di fusione di nanoparticelle, solo strutture stabili in ambienti acquosi possono essere testate con questa tecnica. Possono essere esaminate solo le nanoparticelle non tossiche, e i ricercatori devono controllare la potenziale infiammazione generata dal DNA inserito.

"Le terapie con acidi nucleici sono molto promettenti per il trattamento di una serie di malattie gravi, ", ha detto Dahlman. "Speriamo che questa tecnica venga ampiamente utilizzata sul campo, e che alla fine porterà più chiarezza su come questi farmaci influenzano le cellule e su come possiamo portarli nelle giuste posizioni nel corpo".