Negli ultimi anni, le terapie cellulari e geniche si sono rivelate promettenti per il trattamento del cancro, della fibrosi cistica, del diabete, delle malattie cardiache, dell’HIV/AIDS e di altre malattie difficili da trattare. Ma la mancanza di metodi efficaci per somministrare trattamenti biologici all'organismo ha rappresentato un grave ostacolo all'immissione di queste nuove terapie sul mercato e, in definitiva, ai pazienti che ne hanno più bisogno.
Ora, i biologi sintetici della Northwestern University hanno sviluppato una nuova piattaforma flessibile che risolve parte di questo scoraggiante problema di consegna. Imitando i processi naturali utilizzati dai virus, il sistema di rilascio si lega alle cellule bersaglio e trasferisce efficacemente i farmaci al loro interno.
I cavalli di battaglia dietro questa nuova piattaforma sono le vescicole extracellulari (EV), minuscole nanoparticelle delle dimensioni di un virus che tutte le cellule già producono naturalmente. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato il potente approccio della biologia sintetica per costruire “programmi” di DNA che, una volta inseriti nelle cellule “produttrici”, indirizzano tali cellule ad autoassemblare veicoli elettrici personalizzati con utili caratteristiche di superficie. I programmi inoltre indirizzano le cellule a produrre e caricare i veicoli elettrici con farmaci biologici.
Negli esperimenti di prova di concetto, le particelle hanno fornito con successo farmaci biologici – in questo caso agenti di modificazione genetica CRISPR che hanno eliminato un recettore utilizzato dall’HIV – alle cellule T, che sono notoriamente difficili da colpire. I ricercatori ipotizzano inoltre che il sistema dovrebbe funzionare per molti farmaci e molti tipi di cellule.
La ricerca è stata pubblicata oggi (27 novembre) sulla rivista Nature Biomedical Engineering . Si tratta del primo studio che utilizza con successo i veicoli elettrici per trasportare carichi nelle cellule T.
"La rivoluzione genomica ha trasformato la nostra comprensione delle basi molecolari di molte malattie, ma queste intuizioni non hanno prodotto nuovi farmaci per una ragione fondamentale:ci manca la tecnologia necessaria per fornire farmaci mirati in siti specifici del corpo dove sono necessari, ", ha affermato Joshua N. Leonard della Northwestern, che ha condotto lo studio.
"Queste sfide di distribuzione condivisa ci stanno frenando. Rendendo disponibili piattaforme di distribuzione ampiamente abilitanti, possiamo eliminare un'enorme quantità di rischi e costi derivanti dal portare nuovi farmaci agli studi clinici o al mercato. Invece di progettare un nuovo sistema di consegna ogni volta che un'azienda produce un nuovo farmaco, speriamo che possano invece utilizzare piattaforme modulari e riconfigurabili come la nostra, accelerando così la velocità con cui le terapie geniche e cellulari vengono sviluppate e valutate."
Sostituendo i geni difettosi o introducendo nuovi geni o cellule sani in un paziente, le terapie geniche e cellulari sono promettenti per il trattamento di un'ampia gamma di malattie. Utilizzando un veicolo di somministrazione, le terapie geniche entrano nel corpo per trasferire materiale genetico in cellule specifiche per curare o prevenire le malattie. Le terapie cellulari utilizzano un approccio simile ma trasferiscono cellule intere, che in genere vengono modificate all'esterno del corpo prima di essere somministrate.
Nei casi di maggior successo, i vettori virali – che utilizzano parti derivate da virus ma non possono causare un’infezione – sono serviti come meccanismo di somministrazione sia per le terapie cellulari che per quelle geniche. Ma questa strategia presenta dei limiti. Il sistema immunitario a volte riconosce le parti del virus come estranee e blocca tali vettori prima che rilascino il loro carico.
"I virus hanno una capacità naturale di entrare nelle cellule e trasportare merci", ha detto Leonard. "Prendere in prestito parti virali è una strategia efficace per ottenere la consegna, ma poi sei in qualche modo limitato ai tipi di consegna per cui il virus si è evoluto. Ci vuole un notevole lavoro di ingegneria per modificare questi sistemi per alterare le loro funzioni per ciascuna applicazione. In questa storia , abbiamo invece tentato di imitare la strategia con cui i virus si sono evoluti, ma abbiamo utilizzato nuove "parti" biologiche per superare alcune limitazioni dei vettori virali e, in definitiva, rendere possibili nuove funzionalità."
Per progettare un veicolo multifunzionale, i ricercatori hanno guardato ai veicoli elettrici, che Leonard ha descritto come “una tabula rasa”. In tutti gli esseri viventi (dal lievito alle piante fino agli esseri umani), le cellule rilasciano naturalmente veicoli elettrici, che secondo i ricercatori svolgono un ruolo importante nella comunicazione tra le cellule e nei processi naturali come la funzione immunitaria.
"Queste particelle vengono rilasciate e assorbite dalle cellule continuamente, sia nei processi sani che in quelli patologici", ha detto Leonard. "Ad esempio, sappiamo che le cellule tumorali rilasciano veicoli elettrici, e questo sembra essere una parte del processo attraverso il quale il cancro si diffonde da un sito all'altro. D'altro canto, i veicoli elettrici trasferiscono anche campioni di agenti patogeni invasori dalle cellule infette alle cellule immunitarie , aiutando l'organismo a organizzare una risposta efficace."
Per la piattaforma basata sui veicoli elettrici di Leonard, il suo team ha sviluppato e sintetizzato molecole di DNA personalizzate che sono state introdotte in una cellula produttrice. Il DNA ha fornito istruzioni alla cellula produttrice per produrre nuove biomolecole e quindi caricare tali molecole sulla superficie e all'interno dei veicoli elettrici. Ciò ha effettivamente generato veicoli elettrici decorati con caratteristiche appositamente progettate e carichi già al seguito.
"Trattiamo gli EV prodotti dalle cellule essenzialmente come tabulati vuoti su cui possiamo comporre nuove funzioni ingegnerizzando quelle cellule produttrici per esprimere proteine e acidi nucleici ingegnerizzati o naturali", ha detto Leonard. "Questi alterano la funzione dei veicoli elettrici e possono comprendere un carico terapeutico bioattivo."
Per avere successo, i veicoli elettrici devono prendere di mira le cellule corrette, trasferire il loro carico in quelle cellule ed evitare effetti collaterali, il tutto evitando il sistema immunitario sempre vigile del paziente. Rispetto ai virus, i veicoli elettrici sono probabilmente più capaci di eludere il rigetto da parte del sistema immunitario. Poiché i veicoli elettrici possono essere prodotti con materiali presenti in gran parte nelle cellule del paziente, è meno probabile che il corpo tratti le particelle come una sostanza estranea.
Per testare il concetto, Leonard e il suo team hanno cercato un bersaglio attraente ma ostinato:le cellule T. Poiché le cellule T aiutano naturalmente il corpo a combattere germi e malattie, i ricercatori hanno cercato di migliorare le capacità naturali delle cellule T per applicazioni di immunoterapia.
"La maggior parte delle cellule campiona costantemente piccole parti del loro ambiente", ha detto l'autore principale dello studio Devin Stranford, laureato al laboratorio di Leonard e ora scienziato alla Syenex. "Ma, per qualsiasi motivo, le cellule T non lo fanno così tanto. Pertanto, è difficile somministrare farmaci alle cellule T perché non li assorbiranno attivamente. È necessario che la biologia sia corretta per questi eventi di consegna. verificarsi."
Negli esperimenti, i ricercatori hanno progettato una cellula produttrice per generare EV caricati con Cas9, una proteina che fa parte del sistema CRISPR, accoppiata con una molecola di RNA ingegnerizzata per indirizzarla a riconoscere e alterare una sequenza specifica di DNA nel genoma di una cellula. I ricercatori hanno introdotto gli EV modificati in una coltura di cellule T. Gli EV si sono legati in modo efficiente alle cellule T e hanno consegnato con successo il loro carico, portando a una modifica genetica che ha inattivato il gene che codifica per un recettore utilizzato dall’HIV per infettare le cellule T. Sebbene il trattamento delle infezioni da HIV non fosse un obiettivo immediato di questo progetto, questo lavoro illustra comunque tale promessa, dimostrando i tipi di nuove funzioni terapeutiche consentite dalla tecnologia.
"Un obiettivo chiave di questo lavoro era l'utilizzo di metodi rigorosi per garantire che il carico arrivasse fino a dove doveva andare", ha detto Leonard. "Poiché stiamo apportando modifiche al genoma di queste cellule, possiamo utilizzare tecnologie potenti come il sequenziamento di prossima generazione per confermare che quelle esatte modifiche fossero presenti nelle cellule riceventi, nella posizione del genoma in cui erano previste."
Denominata GEMINI (Geneically Encoded Multifunctional Integrated Nanovesicles), la nuova piattaforma rappresenta una suite di tecnologie per l'ingegneria genetica delle cellule per produrre veicoli elettrici multifunzionali per soddisfare le diverse esigenze dei pazienti.
"A seconda del trattamento, potrebbe essere necessario un miliardo di veicoli elettrici", ha detto. "Ma poiché sono così piccoli, si tratta in realtà di una piccola quantità di materiale. Altri hanno già dimostrato che i veicoli elettrici possono essere prodotti in modi clinicamente traducibili su scala commerciale. In effetti, un vantaggio particolare della codifica biologica delle funzioni dei veicoli elettrici, come abbiamo fatto noi, è che tutta la complessità risiede nella progettazione dei programmi DNA. Una volta fatto ciò, tali processi sono facilmente compatibili con i metodi di produzione maturi ed esistenti."
Attraverso Syenex, Leonard spera di utilizzare la piattaforma GEMINI, insieme ad altre tecnologie di biologia sintetica, per generare rapidamente veicoli di consegna ottimali che consentano agli sviluppatori, dagli spinout accademici alle aziende biotecnologiche mature, di progettare nuove cellule e geni in grado di cambiare la vita. terapie.
"Dimostrando la capacità di codificare geneticamente il carico e le composizioni superficiali delle nanovescicole con la piattaforma GEMINI, possiamo trasformare un difficile problema di biologia in un problema di ingegneria del DNA più semplice", ha affermato Leonard. "Ciò ci consente di attingere ai continui miglioramenti esponenziali nella sintesi e nel sequenziamento del DNA che hanno alimentato la crescita della biologia sintetica. Siamo ottimisti sul fatto che questi approcci consentiranno ai ricercatori di risolvere le grandi sfide di consegna e di sviluppare trattamenti nuovi e migliorati a beneficio di un'ampia gamma di persone." gamma di pazienti."
Ulteriori informazioni: Devin M. Stranford et al, Codifica genetica di funzionalità multiple in vescicole extracellulari per il rilascio mirato di prodotti biologici alle cellule T, Ingegneria biomedica naturale (2023). DOI:10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x
Informazioni sul giornale: Ingegneria biomedica naturale
Fornito dalla Northwestern University
