Создана платформа, решающая ключевые проблемы адресной доставки лекарств

В последние годы клеточная и генная терапия продемонстрировала значительные перспективы в лечении рака, муковисцидоза, диабета, болезней сердца, ВИЧ/СПИДа и других трудноизлечимых заболеваний.

Однако отсутствие эффективных способов доставки биологических препаратов в организм является серьезным препятствием для вывода этих новых методов лечения на рынок и, в конечном счете, для пациентов, которые в них больше всего нуждаются.

Теперь биологи-синтетики Северо-Западного университета разработали новую гибкую платформу, которая частично решает эту сложную проблему доставки. Имитируя естественные процессы, происходящие в вирусах, система доставки связывается с клетками-мишенями и эффективно переносит лекарственные препараты внутрь.

Рабочей лошадкой новой платформы являются внеклеточные везикулы (EVs) — крошечные наночастицы размером с вирус, которые все клетки уже производят естественным образом. В новом исследовании ученые использовали мощный подход синтетической биологии для создания «программ» ДНК, которые, будучи вставленными в клетки-»производители», направляют их на самостоятельную сборку EV с полезными свойствами поверхности. Эти программы также направляют клетки на производство и загрузку EV биологическими препаратами.

В экспериментах по проверке концепции частицы успешно доставляли биологические препараты — в данном случае CRISPR-гены, которые уничтожали рецептор, используемый ВИЧ, — в Т-клетки, которые, как известно, трудно поддаются воздействию. Исследователи также предполагают, что эта система может работать со многими препаратами и многими типами клеток.

Результаты исследования опубликованы сегодня (27 ноября) в журнале Nature Biomedical Engineering. Это первое исследование, в котором EVs успешно используются для доставки груза в Т-клетки.

Революция в геномике изменила наше понимание молекулярных основ многих заболеваний, но эти знания не привели к созданию новых лекарств по одной фундаментальной причине: У нас нет технологий, необходимых для доставки целевых лекарств в конкретные участки тела, где они необходимы, — говорит Джошуа Н. Леонард из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование.

Эти общие проблемы доставки сдерживают нас. Сделав доступными широкие платформы доставки, мы сможем устранить огромное количество рисков и затрат, связанных с выводом новых лекарств на клинические испытания или на рынок. Мы надеемся, что вместо того, чтобы разрабатывать новую систему доставки каждый раз, когда компания создает новый препарат, она сможет использовать модульные, реконфигурируемые платформы, подобные нашей, что ускорит темпы разработки и оценки генных и клеточных терапий.

Леонард — пионер синтетической биологии, профессор химической и биологической инженерии в Северо-Западной инженерной школе МакКормика и один из ключевых сотрудников Центра синтетической биологии (CSB). В 2022 г. Леонард совместно с отделом инноваций и новых венчурных проектов Северо-Западного университета создал компанию Syenex для решения проблемы доставки лекарств для разработчиков клеточной и генной терапии. Syenex — один из 12 стартапов, размещенных в Querrey InQbation Lab, новом инкубаторе Северо-Запада. В состав междисциплинарной команды входят Джулиус Лакс, профессор химической и биологической инженерии McCormick и член CSB, и Джадд Хультквист, доцент кафедры медицины (инфекционные заболевания) и микробиологии-иммунологии Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета.

Перспективы — и проблемы — адресной доставки лекарств

Генная и клеточная терапия, позволяющая заменять дефектные гены или доставлять в организм пациента новые здоровые гены или клетки, открывает перспективы для лечения широкого спектра заболеваний. Используя средство доставки, генная терапия проникает в организм и переносит генетический материал в определенные клетки для лечения или профилактики заболевания. Клеточная терапия использует аналогичный подход, но переносит полноценные клетки, которые перед введением обычно модифицируются вне организма.

В наиболее успешных случаях в качестве механизма доставки как клеточной, так и генной терапии использовались вирусные векторы — части, полученные от вирусов, но не способные вызвать инфекцию. Однако эта стратегия имеет свои ограничения. Иммунная система иногда распознает части вируса как чужеродные и блокирует такие векторы еще до того, как они доставят свой груз.

Вирусы обладают естественной способностью проникать в клетки и доставлять груз, — говорит Леонард.

Заимствование вирусных частей — эффективная стратегия доставки, но в этом случае вы несколько ограничены теми типами доставки, для которых эволюционировал вирус. Требуется значительная инженерная работа по настройке этих систем, чтобы изменить их функции для каждого конкретного случая. В данном случае мы попытались имитировать стратегию, разработанную вирусами, но использовали новые биологические «детали», чтобы преодолеть некоторые ограничения вирусных векторов и в конечном итоге сделать возможными новые функциональные возможности.

Для создания многофункционального транспортного средства исследователи обратились к EV, которые Леонард назвал «чистым листом». Во всех живых организмах (от дрожжей до растений и человека) клетки естественным образом выбрасывают EV, которые, по мнению исследователей, играют важную роль в коммуникации между клетками и естественных процессах, таких как иммунная функция.

Эти частицы постоянно выбрасываются и поглощаются клетками — как при здоровых, так и при больных процессах, — говорит Леонард.

Например, мы знаем, что раковые клетки выбрасывают EV, и это, по-видимому, является частью процесса распространения рака от одного участка к другому. С другой стороны, EV также переносят образцы вторгшихся патогенов от инфицированных клеток к иммунным клеткам, помогая организму подготовить эффективный ответ.

Использование чистого листа

Для создания платформы на основе EV Леонард разработал и синтезировал специальные молекулы ДНК, которые были введены в клетку-продуцент. ДНК содержала инструкции для клетки-продуцента по производству новых биомолекул, которые затем загружались на поверхность и внутрь EV. Таким образом, получались EV со специально разработанными характеристиками — и уже с грузом на борту.

Мы рассматриваем EV, производимые клетками, как чистые листы, на которых мы можем создавать новые функции путем инжиниринга клеток-продуцентов для экспрессии разработанных или природных белков и нуклеиновых кислот, — говорит Леонард.

Они изменяют функции EV и могут составлять биоактивный терапевтический груз.

Для успешного применения EV должны быть нацелены на нужные клетки, перенести в них свой груз и избежать побочных эффектов — и при этом обойти всегда бдительную иммунную систему пациента. По сравнению с вирусами EV, вероятно, в большей степени способны избегать отторжения иммунной системой. Поскольку EV могут быть произведены из материалов, в значительной степени содержащихся в собственных клетках пациента, организм с меньшей вероятностью будет воспринимать эти частицы как чужеродное вещество.

Вызов Т-клеток

Чтобы проверить эту концепцию, Леонард и его команда обратились к привлекательной, но упорной мишени: Т-клетки. Поскольку Т-клетки естественным образом помогают организму бороться с микробами и болезнями, исследователи стремятся усилить естественные способности Т-клеток для применения в иммунотерапии.

Большинство клеток постоянно отбирают маленькие кусочки окружающей среды, — говорит ведущий автор исследования Девин Стрэнфорд, выпускник лаборатории Леонарда, ныне работающий в компании Syenex.

\Но по каким-то причинам Т-клетки делают это не так часто. Поэтому доставка лекарств к Т-клеткам затруднена, так как они не будут активно их принимать. Для того чтобы доставка лекарств происходила, необходимо правильно выстроить биологию.

В ходе экспериментов ученые сконструировали клетку-продуцента для создания EVs, содержащих Cas9 — белок, входящий в систему CRISPR, в паре с молекулой РНК, направленной на распознавание и изменение определенной последовательности ДНК в геноме клетки. Исследователи ввели модифицированные EV в культуру Т-клеток. EV эффективно связывались с Т-клетками и успешно доставляли свой груз, что приводило к генетическим изменениям, инактивирующим ген, кодирующий рецептор, используемый ВИЧ для заражения Т-клеток. Хотя лечение ВИЧ-инфекции не являлось непосредственной целью проекта, данная работа, тем не менее, демонстрирует перспективность этого направления, показывая, какие новые терапевтические функции позволяет реализовать данная технология.

Ключевой задачей этой работы было использование строгих методов для обеспечения того, чтобы груз дошел до нужного места, — сказал Леонард.

Поскольку мы вносим правки в геном этих клеток, мы можем использовать такие мощные технологии, как секвенирование следующего поколения, для подтверждения того, что именно эти правки присутствуют в клетках-реципиентах, в том месте генома, где они должны были быть.

Что дальше?

Новая платформа, получившая название GEMINI (Genetically Encoded Multifunctional Integrated Nanovesicles), представляет собой набор технологий для генной инженерии клеток с целью получения многофункциональных EV для удовлетворения различных потребностей пациентов.

В зависимости от вида лечения может потребоваться миллиард EV, — сказал он.

Но поскольку они так малы, это фактически ничтожное количество материала. Другие компании уже продемонстрировали, что EVs могут производиться в клинических условиях в промышленных масштабах. Действительно, особое преимущество биологического кодирования функций EV, как это сделали мы, заключается в том, что вся сложность заключается в разработке ДНК-программ. После этого такие процессы легко совместимы со зрелыми, существующими методами производства.

С помощью Syenex Леонард надеется использовать платформу GEMINI, наряду с другими технологиями синтетической биологии, для быстрого создания лучших в своем роде средств доставки, которые позволят разработчикам — от академических компаний до зрелых биотехнологических компаний — создавать новые, меняющие жизнь клеточные и генные терапии.

Демонстрируя возможность генетически кодировать груз и состав поверхности наночастиц с помощью платформы GEMINI, мы можем превратить сложную биологическую проблему в более простую задачу ДНК-инженерии, — сказал Леонард.

Это позволяет нам использовать экспоненциальный прогресс в синтезе и секвенировании ДНК, который стимулирует развитие синтетической биологии. Мы уверены, что эти подходы позволят исследователям решить серьезные проблемы доставки и разработать новые и усовершенствованные методы лечения, которые принесут пользу широкому кругу пациентов.

27.11.2023