Gli scienziati della Johns Hopkins Medicine riferiscono di aver creato un minuscolo, contenitore di dimensioni nanometriche che può scivolare all'interno delle cellule e fornire farmaci a base di proteine ​​e terapie geniche di qualsiasi dimensione, anche pesanti collegati allo strumento di modifica genetica chiamato CRISPR. Se la loro creazione, costruita con un polimero biodegradabile, supera più test di laboratorio, potrebbe offrire un modo per trasportare in modo efficiente composti medici più grandi in cellule bersaglio specificamente selezionate.

Un rapporto sul loro lavoro appare nel numero del 6 dicembre di Progressi scientifici .

"La maggior parte dei farmaci si diffondono in tutto il corpo in modo indiscriminato e non prendono di mira una cellula specifica, "dice l'ingegnere biomedico Jordan Green, dottorato di ricerca, capo del gruppo di ricerca. "Alcuni medicinali, come anticorpi, attaccarsi a bersagli sui recettori di superficie della cellula, ma non abbiamo buoni sistemi per somministrare farmaci biologici direttamente all'interno di una cellula, che è dove le terapie avrebbero le migliori possibilità di funzionare correttamente e con meno effetti collaterali".

Molti scienziati accademici e commerciali hanno cercato a lungo sistemi di trasporto migliori per le terapie, dice Verde, professore di ingegneria biomedica, oftalmologia, oncologia, neurochirurgia, Scienze dei materiali e Ingegneria, e ingegneria chimica e biomolecolare presso la Johns Hopkins University School of Medicine, e membro del Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy presso la Johns Hopkins.

Alcune tecniche disponibili in commercio utilizzano forme ridotte di virus, note per la loro capacità di "infettare" direttamente le cellule, per fornire terapie, sebbene le versioni non infettive di questi sistemi di somministrazione possano scatenare una risposta indesiderata del sistema immunitario. Altre terapie mirate alle cellule del sangue malate, Per esempio, sono più ingombranti, che richiedono la rimozione del sangue dei pazienti, poi zapped con una corrente elettrica che apre i pori nella membrana cellulare per ottenere l'ingresso.

Il contenitore di dimensioni nanometriche che Green e il suo team hanno sviluppato alla Johns Hopkins prende in prestito un'idea dalle proprietà dei virus, molti dei quali sono di forma quasi sferica e portano sia cariche negative che positive. Con una tariffa complessiva più neutra, i virus possono avvicinarsi alle cellule. Non è il caso di molti farmaci biologici, che consistono in una carica molto elevata, grandi proteine ​​e acidi nucleici che tendono a respingere le cellule.

Per superare questo, lo studente laureato Yuan Rui ha sviluppato un nuovo materiale polimerico biodegradabile. Il polimero è il termine generale per una sostanza composta da molte molecole. Per fare il polimero, Rui mise insieme, come i rami di un albero, quattro molecole componenti che, col tempo, abbattere e sciogliere in acqua. Le molecole contengono cariche positive e negative.

Con un equilibrio di cariche positive e negative, le molecole spingono e tirano secondo la loro carica e i loro atomi di idrogeno si legano con una terapia biologica nelle vicinanze. Il risultato è una nanostruttura contenente la terapia biologica.

Le cariche positive del contenitore di dimensioni nanometriche interagiscono con la membrana di una cellula, e il contenitore è inghiottito in un pacchetto cellulare chiamato endosoma.

Una volta dentro, il contenitore di dimensioni nanometriche rompe l'endosoma, e i polimeri si degradano, lasciando agire il medicinale all'interno della cellula.

Per testare la loro invenzione, Rui ha realizzato un nanocontenitore di una piccola proteina e l'ha somministrato a cellule renali di topo in piatti di coltura. Ha attaccato un'etichetta fluorescente verde alla piccola proteina e ha visto spruzzi verde brillante nella maggior parte delle cellule, indicando che la proteina è stata consegnata con successo.

Quindi, Rui ha confezionato una proteina più grande:l'immunoglobulina umana, una terapia tipicamente utilizzata per rafforzare il sistema immunitario e un modello per le terapie anticorpali. Questa volta, ha scoperto che il 90% delle cellule renali che ha trattato si illuminava con l'etichetta fluorescente verde attaccata all'immunoglobulina.

"Quando le nanoparticelle entrano in una cellula, spesso vengono sequestrati in endosomi, che ne degradano il contenuto, ma i nostri esperimenti mostrano che i pacchetti proteici si sono diffusi uniformemente nella maggior parte delle cellule e non sono rimasti bloccati negli endosomi, "dice Rui.

Per una sfida ancora più grande, Rui ha creato un nanopacchetto contenente una proteina a base di CRISPR e un complesso di acido nucleico che potrebbe disattivare un segnale di fluorescenza verde o far diventare le cellule rosse quando il composto CRISPR taglia parte del genoma di una cellula. I ricercatori hanno visto che l'editing genetico per disabilitare un gene ha funzionato fino al 77% delle cellule coltivate in laboratorio e per aggiungere o riparare un gene in circa il 4% delle cellule.

"È abbastanza efficace considerando che con altri sistemi di editing genetico, potresti ottenere il risultato corretto del taglio genetico meno del 10% delle volte, " ha affermato Rui. Le terapie basate su CRISPR hanno il potenziale per rendere i farmaci molto più precisi con la loro capacità di mirare con precisione ai difetti genetici che contribuiscono alla malattia. Alcune terapie CRISPR sono in fase di sperimentazione in studi clinici.

In un esperimento finale, Rui e i suoi colleghi hanno impiantato cellule tumorali cerebrali nel cervello dei topi. Ha iniettato i nanocontenitori con componenti di editing genetico direttamente nel cervello dei topi e ha analizzato le loro cellule per un bagliore rosso che indicava l'editing genico di successo. Ha trovato cellule cancerose al cervello che brillavano di rosso a diversi millimetri di distanza da dove le aveva iniettate.

'Quando ho iniziato questo progetto cinque anni fa, gli scienziati non pensavano che si potesse usare qualcosa di diverso da un virus per fornire queste terapie nelle cellule, " dice Rui. "Lo sviluppo di nuove tecnologie può aiutarci a capire di più sulla malattia, ma anche di più sulla produzione di nuovi farmaci".

Rui e Green stanno cercando di rendere i nanocontenitori più stabili in modo che possano essere iniettati nel flusso sanguigno e mirati a cellule con determinate firme genetiche.

Gli scienziati stanno depositando i brevetti relativi a questo lavoro.