Un ampio esperimento che ha testato gli effetti immunitari di un ampio gruppo di nanoparticelle di acido nucleico progettate in laboratorio non ha trovato un forte, risposta immunitaria uniforme, come era stato previsto. Anziché, i test hanno trovato risposte variabili e specifiche da diverse cellule immunitarie, a seconda della forma e della formulazione di ciascuna particella, una scoperta che potrebbe incoraggiare ulteriori studi sull'uso terapeutico delle particelle.

Inoltre, i ricercatori ritengono di aver scoperto un sistema "ausiliario" per la gestione della risposta immunitaria, un "alfabeto" molecolare per comunicare con il sistema immunitario umano.

I risultati sono stati recentemente riportati da Enping Hong, Ankit Shah, e Marina Dobrovolskaia del Frederick Laboratory for Cancer Research, Emil Khisamutdinov della Ball State University e Justin Halman e Kirill Afonin della University of North Carolina a Charlotte sulla rivista Nano lettere .

L'idea è in circolazione da un po' di tempo che segmenti selezionati di RNA o DNA potrebbero essere usati terapeuticamente - acidi nucleici terapeutici - per influenzare la funzione genica o cellulare. Sfortunatamente, negli studi clinici la maggior parte di queste molecole terapeutiche proposte hanno dimostrato di avere un effetto collaterale estremo:hanno provocato un forte, reazione spesso fatale delle cellule immunitarie del corpo umano.

Più recentemente, i nanotecnologi hanno proposto di progettare nanoparticelle autoassemblanti con sequenze di RNA o DNA potenzialmente terapeutiche, combinando gli effetti di diverse sequenze in un farmaco mirato, dando molteplici effetti in una singola particella, modellato in varie forme di design:quadrati, triangoli, cubi, e altre strutture. Tuttavia, queste particelle terapeutiche potenzialmente potenti sono state lente per essere testate, perché i ricercatori hanno teorizzato che avrebbero probabilmente gli stessi effetti "immunotossici" dei frammenti naturali di acido nucleico.

Però, alcuni nanoscienziati si sono chiesti se le reazioni immunitarie previste sarebbero state necessariamente il caso a causa delle complessità del riconoscimento del sistema immunitario e delle proprietà uniche create dall'assemblaggio di materiali tradizionali in nanoparticelle di varie forme e strutture.

"Anche se le nanoparticelle di acido nucleico sono composte da componenti con tossicità immunologiche note, una volta combinati e riformulati, la nanoformulazione diventa una bestia completamente diversa, " disse Afonin, uno degli autori corrispondenti del documento.

"I nostri risultati hanno mostrato che, mentre alcune delle previsioni erano corrette, molti si sbagliavano completamente, " ha osservato Afonin. "Non è possibile prevedere l'immunotossicità delle nanoparticelle di acido nucleico semplicemente analizzando le risposte a DNA e RNA prodotti naturalmente. Abbiamo ottenuto risultati inaspettati".

Per testare l'immunotossicità delle particelle e forse trovare indizi sui meccanismi coinvolti nella risposta delle cellule immunitarie, Afonin e i suoi colleghi hanno selezionato una "libreria" di 25 diverse nanoparticelle di acido nucleico di DNA o RNA progettate da ricercatori del settore, accuratamente selezionati per "affrontare tutti i possibili collegamenti" tra le loro proprietà molecolari e le reazioni immunitarie. La libreria includeva un campione rappresentativo di planari (piatti), particelle globulari e fibrose (stringhe), con diverse dimensioni e pesi molecolari, oltre a differire in una varietà di attributi chimici critici. Le particelle sono state introdotte nelle cellule immunitarie (cellule mononucleate del sangue periferico) dal sangue di 60 donatori umani unici e monitorate per la produzione di 29 diverse citochine.

I dettagli dei risultati stavano rivelando per quanto riguarda l'immunotossicità delle particelle perché la risposta immunitaria variava. Ma i risultati hanno anche rivelato informazioni sul comportamento specifico di varie cellule immunitarie.

Una scoperta fondamentale è stata che le nanoparticelle di acido nucleico "nude" (non legate ad altre molecole biologiche) non hanno causato alcuna risposta immunitaria, perché, la squadra ha trovato, a differenza dei frammenti naturali di DNA o RNA, le particelle costruite non potrebbero entrare in nessuna cellula immunitaria senza qualche tipo di molecole "portatrici" che ne permettessero l'ingresso. Effettivamente, le semplici nanoparticelle di acido nucleico sono "invisibili" al sistema immunitario umano.

Una volta che le particelle sono state accoppiate con un vettore di molecole, però, riuscivano ad entrare nelle celle, e suscitato risposte chiare, come speravano i ricercatori. "La domanda è quando inviamo questa particella all'interno della cellula umana, cosa fa la cellula, in particolare la cellula immunitaria, fare?" si chiese Afonin. "Vede una forma particolare come una minaccia?"

I risultati mostrano che la dimensione delle particelle, forma, struttura 3-D (cubi, Per esempio, rispetto ai quadrati planari), DNA o RNA composizione, e la natura chimica del modo in cui le particelle sono state assemblate ("connettività") ha avuto tutti effetti distintivi sulla risposta immunitaria e su quali cellule immunitarie hanno risposto.

Tra i dettagli scoperti c'era la scoperta che le particelle composte da DNA tendevano a causare una risposta immunitaria inferiore a quelle dell'RNA. Gli anelli di RNA (strutture piatte) e le fibre di RNA hanno causato una risposta immunitaria inferiore rispetto ai cubi di RNA (strutture globulari). Più in dettaglio, DNA cubes induced the cytokine production of type I interferons alpha and omega, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, and eventually, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, Per esempio.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."