Nuovi strumenti per la modifica del codice genetico offrono speranza per nuovi trattamenti per le malattie ereditarie, alcuni tumori, e persino infezioni virali ostinate. Ma il metodo tipico per somministrare terapie geniche a specifici tessuti del corpo può essere complicato e può causare effetti collaterali preoccupanti.

I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno affrontato molti di questi problemi impacchettando un carico utile di modifica genetica in un minuscolo personalizzabile, nanocapsule sintetiche. Hanno descritto il sistema di consegna e il suo carico oggi (9 settembre, 2019) sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"Per modificare un gene in una cellula, lo strumento di modifica deve essere consegnato all'interno della cella in modo sicuro ed efficiente, " dice Shaoqin "Sarah" Gong, professore di ingegneria biomedica e ricercatore presso il Wisconsin Institute for Discovery all'UW-Madison. Il suo laboratorio è specializzato nella progettazione e costruzione di sistemi di somministrazione su scala nanometrica per terapie mirate.

"La modifica del tessuto sbagliato nel corpo dopo l'iniezione di terapie geniche è di grave preoccupazione, "dice Krishanu Saha, anche un professore di ingegneria biomedica alla UW-Madison e co-presidente del comitato direttivo per un consorzio nazionale sull'editing del genoma con 190 milioni di dollari a sostegno del National Institutes of Health. "Se gli organi riproduttivi vengono modificati inavvertitamente, poi il paziente trasmetterebbe le modifiche genetiche ai propri figli e ad ogni generazione successiva".

La maggior parte della modifica del genoma viene eseguita con vettori virali, secondo Gong. I virus hanno miliardi di anni di esperienza nell'invadere le cellule e cooptare il macchinario della cellula per creare nuove copie del virus. Nella terapia genica, i virus possono essere alterati per trasportare nelle cellule macchinari di modifica del genoma piuttosto che i propri geni virali. Il macchinario di editing può quindi alterare il DNA della cellula in, dire, correggere un problema nel codice genetico che causa o contribuisce alla malattia.

"I vettori virali sono attraenti perché possono essere molto efficienti, ma sono anche associati a una serie di problemi di sicurezza, tra cui risposte immunitarie indesiderate, "dice Gong.

Nuovi bersagli cellulari possono anche richiedere laboriose alterazioni dei vettori virali, e la produzione di vettori virali su misura può essere complicata.

"È molto difficile, se non impossibile, personalizzare molti vettori virali per la consegna a una specifica cellula o tessuto del corpo, "Saha dice.

Il laboratorio di Gong ha rivestito un carico utile di terapia genica, vale a dire, una versione dello strumento di modifica genetica CRISPR-Cas9 con RNA guida progettato nel laboratorio di Saha, con un sottile guscio polimerico, risultando in una capsula di circa 25 nanometri di diametro. La superficie della nanocapsula può essere decorata con gruppi funzionali come i peptidi che conferiscono alle nanoparticelle la capacità di colpire determinati tipi di cellule.

La nanocapsula rimane intatta al di fuori delle cellule:nel flusso sanguigno, per esempio, solo per sfaldarsi all'interno della cellula bersaglio quando innescato da una molecola chiamata glutatione. Il carico utile liberato si sposta quindi nel nucleo per modificare il DNA della cellula. Si prevede che le nanocapsule ridurranno le modifiche genetiche non pianificate a causa della loro breve durata all'interno del citoplasma di una cellula.

Questo progetto è una collaborazione che combina l'esperienza di UW-Madison in chimica, ingegneria, biologia e medicina. Il professore di pediatria e oftalmologia Bikash R. Pattnaik e il professore di bioscienze comparate Masatoshi Suzuki e i loro team hanno lavorato per dimostrare l'editing genetico negli occhi dei topi e nei muscoli scheletrici, rispettivamente, utilizzando le nanocapsule.

Poiché le nanocapsule possono essere liofilizzate, possono essere comodamente purificati, immagazzinato, e trasportato come polvere, fornendo allo stesso tempo flessibilità per il controllo del dosaggio. I ricercatori, con la Wisconsin Alumni Research Foundation, sono in attesa di brevetto sulle nanoparticelle.

"Le piccole dimensioni, stabilità superiore, versatilità nella modifica della superficie, e l'elevata efficienza di editing delle nanocapsule le rendono una piattaforma promettente per molti tipi di terapie geniche, "dice Gong.

Il team mira a ottimizzare ulteriormente le nanocapsule nella ricerca in corso per un editing efficiente nel cervello e nell'occhio.