Folosind nanoparticule specializate, inginerii MIT au dezvoltat o modalitate de a opri gene specifice din celulele măduvei osoase, care joacă un rol important în producerea celulelor sanguine. Aceste particule ar putea fi adaptate pentru a ajuta la tratarea bolilor de inimă sau pentru a crește randamentul celulelor stem la pacienții care au nevoie de transplanturi de celule stem, spun cercetătorii.

Acest tip de terapie genetică, cunoscută sub numele de interferență cu ARN, este de obicei dificil de direcționat către alte organe decât ficatul, unde nanoparticulele ar tinde să se acumuleze. Cercetătorii MIT au reușit să modifice particulele astfel încât să se acumuleze în celulele găsite în măduva osoasă.

„Dacă putem face ca aceste particule să lovească alte organe de interes, ar putea exista o gamă mai largă de aplicații pentru boli de explorat și una care ne-a interesat cu adevărat în această lucrare a fost măduva osoasă. Măduva osoasă este un loc pentru hematopoieza de celulele sanguine, iar acestea dau naștere la o întreagă linie de celule care contribuie la diferite tipuri de boli”, spune Michael Mitchell, fost doctor al MIT și unul dintre autorii principali ai studiului.

Într-un experiment efectuat pe șoareci, cercetătorii au arătat că ar putea folosi această abordare pentru a îmbunătăți recuperarea după un atac de cord, inhibând eliberarea celulelor din sânge ale măduvei osoase care provoacă inflamația și contribuie la bolile de inimă.

Marvin Krohn-Grimberghe, cardiolog la Freiburg University Heart Center din Germania, și Maximilian Schloss, cercetător la Spitalul General din Massachusetts, sunt, de asemenea, autorii principali ai lucrării din Nature Biomedical Engineering. Alți autori ai lucrării sunt Daniel Anderson, profesor de inginerie chimică la MIT și membru al Institutului Koch al MIT pentru Cercetarea Integrativă a Cancerului și al Institutului de Inginerie Medicală și Știință și Matthias Nahrendorf, profesor de radiologie la MGH.

În tratamentul căror boli poate ajuta această tehnică

Interferența ARN este o strategie care ar putea fi utilizată pentru a trata o varietate de boli prin furnizarea unor fire scurte de ARN care blochează gene specifice să fie activate într-o celulă.

Până în prezent, cel mai mare obstacol în calea acestui tip de terapie a fost dificultatea de a o administra în partea dreaptă a corpului. Când sunt injectate în fluxul sanguin, nanoparticulele care transportă ARN tind să se acumuleze în ficat, lucru pe care unele companii de biotehnologie l-au profitat pentru a dezvolta noi tratamente experimentale pentru bolile hepatice.

Laboratorul lui Anderson, colaborând cu profesorul Robert Langer al Institutului MIT, care este și autor al noului studiu, a dezvoltat anterior un tip de nanoparticule de polimer care pot livra ARN la alte organe decât ficatul. Particulele sunt acoperite cu lipide care le ajută să le stabilizeze și pot viza organe precum plămânii, inima și splina, în funcție de compoziția particulelor și de greutatea moleculară.

„Nanoparticulele de ARN sunt în prezent aprobate de FDA ca terapie hepatică, dar sunt promițătoare pentru multe alte boli, de la vaccinurile COVID-19 la medicamente care pot repara permanent genele bolii”, spune Anderson. Noi credem ca ingineria nanoparticulelor pentru a furniza ARN la diferite tipuri de celule si organe din corp este cheia pentru a atinge cel mai larg potențial al terapiei genetice.

Care este scopul noului studiu

În noul studiu, cercetătorii și-au propus să adapteze particulele astfel încât să poată ajunge la măduva osoasă. Măduva osoasă conține celule stem care produc multe tipuri de celule sanguine, printr-un proces numit hematopoieză. Stimularea acestui proces ar putea spori randamentul celulelor stem hematopoietice pentru transplantul de celule stem, în timp ce reprimarea acestuia ar putea avea efecte benefice asupra pacienților cu boli de inimă sau alte boli.

„Dacă am putea dezvolta tehnologii care ar putea controla activitatea celulară în măduva osoasă și nișa de celule stem hematopoietice, aceasta ar putea fi transformatoare pentru aplicațiile bolii”, spune Mitchell, care este acum profesor asistent de bioinginerie la Universitatea din Pennsylvania.

Cercetătorii au început cu particulele pe care le folosiseră anterior pentru a viza plămânii și au creat variante care aveau aranjamente diferite ale unui strat de suprafață numit polietilen glicol (PEG). Au testat 15 dintre aceste particule și au găsit una care era capabilă să evite prinderea în ficat sau plămâni și care s-ar putea acumula în mod eficient în celulele endoteliale ale măduvei osoase. De asemenea, au arătat că ARN-ul transportat de această particulă ar putea reduce expresia unei gene țintă cu până la 80%.

Cercetătorii au testat această abordare cu două gene care credeau că ar putea fi benefice să le doboare. Prima, SDF1, este o moleculă care previne în mod normal celulele stem hematopoietice să părăsească măduva osoasă. Dezactivarea acestei gene ar putea obține același efect ca și medicamentele pe care medicii le folosesc adesea pentru a induce eliberarea celulelor stem hematopoietice la pacienții care trebuie să fie supuși unor tratamente radiaționale pentru cancerele de sânge. Aceste celule stem sunt transplantate ulterior pentru a repopula celulele sanguine ale pacientului.

Combaterea bolilor de inimă

„Dacă aveți o modalitate de a doborî SDF1, puteți provoca eliberarea acestor celule stem hematopoietice, ceea ce ar putea fi foarte important pentru un transplant, astfel încât să puteți recolta mai mult de la pacient”, spune Mitchell.

Cercetătorii au arătat că atunci când și-au folosit nanoparticulele pentru a doborî SDF1, ar putea spori de cinci ori eliberarea celulelor stem hematopoietice, ceea ce este comparabil cu nivelurile atinse de medicamentele care sunt acum utilizate pentru a spori eliberarea celulelor stem. De asemenea, au arătat că aceste celule se pot diferenția cu succes în celule noi din sânge atunci când sunt transplantate într-un alt șoarece.

„Suntem foarte încântați de ultimele rezultate”, spune Langer, care este, de asemenea, profesorul Institutului David H. Koch la MIT. „Anterior, am dezvoltat sinteze de mare viteză și abordări de screening pentru a viza ficatul și celulele vaselor de sânge și acum, în acest studiu, măduva osoasă. Sperăm că acest lucru va duce la noi tratamente pentru bolile măduvei osoase, cum ar fi mielomul multiplu și alte boli”.

A doua genă pe care cercetătorii au vizat-o se numește MCP1, o moleculă care joacă un rol cheie în bolile de inimă. Când MCP1 este eliberat de celulele măduvei osoase după un atac de cord, stimulează o inundație de celule imune să părăsească măduva osoasă și să călătorească către inimă, unde acestea produce inflamația și pot duce la leziuni cardiace suplimentare.

Experimentul pe șoareci

Într-un studiu efectuat pe șoareci, cercetătorii au descoperit că furnizarea de ARN care vizează MCP1 a redus numărul de celule imune care au intrat în inimă după un atac de cord. Șoarecii care au primit acest tratament au arătat, de asemenea, o vindecare îmbunătățită a țesutului cardiac după un atac de cord.

„Știm acum că celulele imune joacă un rol atât de important în progresia atacului de cord și a insuficienței cardiace”, spune Mitchell. „Dacă am putea dezvolta strategii terapeutice pentru a opri pătrunderea celulelor imune care provin din măduva osoasă în inimă, ar putea fi un nou mijloc de tratare a infarctului. Aceasta este una dintre primele demonstrații ale unei abordări a acțiunii pe bază de acid nucleic”.

La laboratorul său de la Universitatea din Pennsylvania, Mitchell lucrează acum la noi nanotehnologii care vizează măduva osoasă și celulele imune pentru tratarea altor boli, în special a cancerelor de sânge.