I ricercatori hanno sviluppato nanoparticelle che trasportano un pacchetto di editing genetico specifico per il fegato dei topi, riducendo con successo i livelli di colesterolo "cattivo" LDL nel sangue. Insieme a studi precedenti che dimostrano la consegna al cervello o alle cellule T, suggeriscono una possibilità futura di terapie di modifica genica altamente mirate. Credito:Tufts University
La tecnologia di modifica del genoma CRISPR è emersa come un nuovo potente strumento in grado di cambiare il modo in cui trattiamo le malattie. La sfida quando si altera la genetica delle nostre cellule, però, è come farlo in sicurezza, effettivamente, e specificamente mirato al gene, tessuti e organi che necessitano di trattamento. Scienziati della Tufts University e del Broad Institute di Harvard e del MIT hanno sviluppato nanoparticelle uniche composte da lipidi, molecole di grasso, che possono impacchettare e fornire macchinari per l'editing genetico specificamente al fegato. In uno studio pubblicato oggi su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , hanno dimostrato di poter utilizzare le nanoparticelle lipidiche (LNP) per fornire in modo efficiente il macchinario CRISPR nel fegato dei topi, con conseguente modifica specifica del genoma e riduzione dei livelli di colesterolo nel sangue fino al 57%, una riduzione che può durare almeno diversi mesi con un solo colpo.
Il problema del colesterolo alto affligge più di 29 milioni di americani, secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie. La condizione è complessa e può provenire da più geni, nonché da scelte nutrizionali e di stile di vita, quindi non è facile da trattare. I ricercatori di Tufts e Broad, però, hanno modificato un gene che potrebbe fornire un effetto protettivo contro il colesterolo elevato se può essere spento mediante l'editing genetico.
Il gene su cui i ricercatori si sono concentrati codifica per l'enzima simile all'angiopoietina 3 (Angptl3). Quell'enzima riduce l'attività di altri enzimi, le lipasi, che aiutano ad abbattere il colesterolo. Se i ricercatori riescono a eliminare il gene Angptl3, possono lasciare che le lipasi facciano il loro lavoro e riducano i livelli di colesterolo nel sangue. Si scopre che alcune persone fortunate hanno una mutazione naturale nel loro gene Angptl3, portando a livelli costantemente bassi di trigliceridi e colesterolo lipoproteico a bassa densità (LDL), comunemente chiamato colesterolo "cattivo", nel loro flusso sanguigno senza alcun inconveniente clinico noto.
"Se possiamo replicare quella condizione eliminando il gene angptl3 in altri, abbiamo buone possibilità di avere una soluzione sicura e a lungo termine per il colesterolo alto, " disse Qiaobing Xu, professore associato di ingegneria biomedica presso la Tufts' School of Engineering e corrispondente autore dello studio. "Dobbiamo solo assicurarci di fornire il pacchetto di modifica genetica specificamente al fegato in modo da non creare effetti collaterali indesiderati".
Il team di Xu è stato in grado di fare proprio questo nei modelli di topo. Dopo una singola iniezione di nanoparticelle lipidiche confezionate con mRNA codificante per CRISPR-Cas9 e un RNA a guida singola mirato ad Angptl3, hanno osservato una profonda riduzione del colesterolo LDL di ben il 57% e dei livelli di trigliceridi di circa il 29%, entrambi sono rimasti a quei livelli abbassati per almeno 100 giorni. I ricercatori ipotizzano che l'effetto possa durare molto più a lungo di così, forse limitato solo dal lento ricambio delle cellule del fegato, che può verificarsi in un periodo di circa un anno. La riduzione del colesterolo e dei trigliceridi è dose dipendente, in modo che i loro livelli possano essere regolati iniettando meno o più LNP in una singola iniezione, hanno detto i ricercatori.
A confronto, un esistente, La versione approvata dalla FDA degli LNP caricati con mRNA di CRISPR potrebbe ridurre il colesterolo LDL al massimo del 15,7% e i trigliceridi del 16,3% quando è stata testata sui topi, secondo i ricercatori.
Il trucco per creare un LNP migliore consisteva nel personalizzare i componenti, le molecole che si uniscono per formare bolle attorno all'mRNA. I LNP sono costituiti da lipidi a catena lunga che hanno una testa carica o polare che è attratta dall'acqua, una coda di catena di carbonio che punta verso il centro della bolla contenente il carico utile, e un legame chimico tra di loro. Sono presenti anche glicole polietilenico, e sì, anche un po' di colesterolo, che ha un ruolo normale nelle membrane lipidiche per renderle meno permeabili, per trattenere meglio il loro contenuto.
I ricercatori hanno scoperto che la natura e il rapporto relativo di questi componenti sembravano avere effetti profondi sulla consegna dell'mRNA nel fegato, quindi hanno testato gli LNP con molte combinazioni di teste, code, linker e rapporti tra tutti i componenti per la loro capacità di colpire le cellule epatiche. Poiché la potenza in vitro di una formulazione LNP riflette raramente le sue prestazioni in vivo, hanno valutato direttamente la specificità e l'efficacia della consegna nei topi che hanno un gene reporter nelle loro cellule che si illumina di rosso quando si verifica l'editing del genoma. In definitiva, hanno trovato un LNP caricato con mRNA CRISPR che ha illuminato solo il fegato nei topi, dimostrando che potrebbe fornire in modo specifico ed efficiente strumenti di modifica genetica nel fegato per svolgere il loro lavoro.
I LNP sono stati costruiti su precedenti lavori a Tufts, dove Xu e il suo team hanno sviluppato LNP con un'efficienza fino al 90% nel fornire mRNA nelle cellule. Una caratteristica unica di queste nanoparticelle era la presenza di legami disolfuro tra le lunghe catene lipidiche. Fuori dalle cellule, i LNP formano una struttura sferica stabile che blocca il loro contenuto. Quando sono all'interno di una cella, l'ambiente all'interno rompe i legami disolfuro per smontare le nanoparticelle. Il contenuto viene quindi rilasciato in modo rapido ed efficiente nella cella. Prevenendo la perdita al di fuori della cellula, i LNP possono avere un rendimento molto più elevato nella consegna del loro contenuto.
"CRISPR è uno degli strumenti terapeutici più potenti per il trattamento di malattie con un'eziologia genetica. Abbiamo recentemente visto il primo percorso clinico umano per la terapia CRISPR abilitata dalla somministrazione di LNP per essere somministrata sistemicamente per modificare i geni all'interno del corpo umano. Il nostro LNP piattaforma sviluppata qui ha un grande potenziale per la traduzione clinica, " disse Min Qiu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Xu a Tufts. "Prevediamo che con questa piattaforma LNP in mano, ora potremmo rendere CRISPR un approccio pratico e sicuro per trattare un ampio spettro di malattie o disturbi del fegato, " disse Zachary Glass, studente laureato nel laboratorio Xu. Qiu e Glass sono co-primi autori dello studio.
