Uno dei più notevoli progressi recenti nella ricerca biomedica è stato lo sviluppo di metodi di modifica genetica altamente mirati come CRISPR che possono aggiungere, rimuovere, o modificare un gene all'interno di una cellula con grande precisione. Il metodo è già in fase di sperimentazione o utilizzo per il trattamento di pazienti con anemia falciforme e tumori come mieloma multiplo e liposarcoma, e oggi, le sue creatrici Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica.

Mentre l'editing genetico è straordinariamente preciso nel trovare e alterare i geni, non c'è ancora modo di indirizzare il trattamento a punti specifici del corpo. I trattamenti finora testati comportano la rimozione di cellule staminali del sangue o cellule T del sistema immunitario dal corpo per modificarle, e poi infondendoli nuovamente in un paziente per ripopolare il flusso sanguigno o ricostituire una risposta immunitaria, un processo costoso e che richiede tempo.

Basandosi sui risultati di Charpentier e Doudna, I ricercatori di Tufts hanno escogitato per la prima volta un modo per distribuire in modo efficiente pacchetti di modifica genetica direttamente attraverso la barriera ematoencefalica e in regioni specifiche del cervello, nelle cellule del sistema immunitario, o a tessuti e organi specifici in modelli murini. Queste applicazioni potrebbero aprire una linea di strategia completamente nuova nel trattamento delle condizioni neurologiche, così come il cancro, malattia infettiva, e malattie autoimmuni.

Un team di ingegneri biomedici Tufts, guidato dal professore associato Qiaobing Xu, ha cercato di trovare un modo per confezionare il "kit" di modifica genica in modo che potesse essere iniettato per svolgere il suo lavoro all'interno del corpo su cellule mirate, piuttosto che in un laboratorio.

Hanno usato nanoparticelle lipidiche (LNP), minuscole "bolle" di molecole lipidiche che possono avvolgere gli enzimi di modifica e portarli a cellule specifiche, tessuti, o organi. I lipidi sono molecole che includono una lunga coda di carbonio, che contribuisce a conferire loro una consistenza "oleosa", e una testa idrofila, che è attratto da un ambiente acquoso.

C'è anche tipicamente un azoto, zolfo, o collegamento a base di ossigeno tra la testa e la coda. I lipidi si dispongono intorno alle nanoparticelle della bolla con le teste rivolte verso l'esterno e le code rivolte verso l'interno verso il centro.

Il team di Xu è stato in grado di modificare la superficie di questi LNP in modo che possano eventualmente "attaccarsi" a determinati tipi di cellule, fondersi con le loro membrane, e rilasciano gli enzimi che modificano i geni nelle cellule per svolgere il loro lavoro.

Fare un LNP mirato richiede un po' di artigianato chimico.

Creando un mix di teste diverse, code, e linker, i ricercatori possono vagliare, prima in laboratorio, un'ampia varietà di candidati per la loro capacità di formare LNP che colpiscono cellule specifiche. I migliori candidati possono quindi essere testati in modelli murini, e ulteriormente modificato chimicamente per ottimizzare il targeting e la consegna degli enzimi di modifica genica alle stesse cellule nel topo.

"Abbiamo creato un metodo per personalizzare il pacchetto di consegna per una vasta gamma di potenziali terapie, compreso l'editing genetico, " ha detto Xu. "I metodi attingono alla chimica combinatoria utilizzata dall'industria farmaceutica per progettare i farmaci stessi, ma invece stiamo applicando l'approccio alla progettazione dei componenti del veicolo di consegna."

In un ingegnoso pezzo di modellazione chimica, Xu e il suo team hanno utilizzato un neurotrasmettitore alla testa di alcuni lipidi per aiutare le particelle ad attraversare la barriera emato-encefalica, che altrimenti sarebbe impermeabile a complessi molecolari grandi quanto un LNP.

La capacità di somministrare farmaci in modo sicuro ed efficiente attraverso la barriera e nel cervello è stata una sfida di vecchia data in medicina. In un primo, Il laboratorio di Xu ha consegnato un intero complesso di RNA messaggeri ed enzimi che compongono il kit CRISPR in aree mirate del cervello in un animale vivente.

Alcune lievi modifiche ai linker lipidici e alle code hanno contribuito a creare LNP in grado di fornire al cervello la piccola molecola farmaco antimicotico amfotericina B (per il trattamento della meningite) e un frammento di DNA che si lega e spegne il gene che produce la proteina tau legata all'Alzheimer malattia.

Più recentemente, Xu e il suo team hanno creato LNP per fornire pacchetti di modifica genetica nelle cellule T dei topi. Le cellule T possono aiutare nella produzione di anticorpi, distruggere le cellule infette prima che i virus possano replicarsi e diffondersi, e regolare e sopprimere altre cellule del sistema immunitario.

I LNP che hanno creato si fondono con le cellule T nella milza o nel fegato, dove risiedono tipicamente, per fornire i contenuti di modifica genetica, che può quindi alterare la composizione molecolare e il comportamento della cellula T. È un primo passo nel processo non solo di allenamento del sistema immunitario, come si potrebbe fare con un vaccino, ma in realtà lo progetta per combattere meglio le malattie.

L'approccio di Xu alla modifica dei genomi delle cellule T è molto più mirato, efficiente, e probabilmente più sicuri dei metodi finora provati utilizzando i virus per modificare il loro genoma.

"Prendendo di mira le cellule T, possiamo attingere a un ramo del sistema immunitario che ha un'enorme versatilità nel combattere le infezioni, protezione contro il cancro, e modulando l'infiammazione e l'autoimmunità, " disse Xu.

Xu e il suo team hanno esplorato ulteriormente il meccanismo attraverso il quale gli LNP potrebbero trovare la strada verso i loro obiettivi nel corpo. Negli esperimenti mirati alle cellule dei polmoni, hanno scoperto che le nanoparticelle hanno raccolto proteine ​​specifiche nel flusso sanguigno dopo l'iniezione.

Le proteine, ora incorporato nella superficie dei LNP, è diventata la componente principale che ha aiutato i LNP ad aggrapparsi al loro obiettivo. Queste informazioni potrebbero aiutare a migliorare la progettazione delle future particelle di consegna.

Sebbene questi risultati siano stati dimostrati nei topi, Xu ha avvertito che saranno necessari ulteriori studi e sperimentazioni cliniche per determinare l'efficacia e la sicurezza del metodo di somministrazione negli esseri umani.