Наноконтейнеры для макромолекул
Исследователи из Университета Джона Хопкинса сообщили о создании наноразмерного контейнера, который способен проникать внутрь клеток и доставлять белковые лекарственные препараты и препараты для генной терапии любого размера, в том числе инструменты для редактирования генов CRISPR. Они состоят из самособирающегося биоразлагаемого полимера. Если дальнейшие тесты подтвердят эффективность и безопасность наноконтейнеров, то их можно будет использовать для эффективного транспорта медицинских соединений в специально отобранные клетки-мишени.
Почти все лекарства распределяются по всему организму и не нацеливаются на конкретные клетки. Некоторые лекарства содержат антитела, которые прикрепляются к определенным рецепторам на поверхности клеток-мишеней, но систем для доставки биологических лекарств непосредственно внутрь клетки, где был бы выше шанс эффективного воздействия с меньшим количеством побочных эффектов, не существует.
Работа над системами доставки идет во многих лабораториях. Для этого используются особые формы вирусов, известных своей способностью «заражать» клетки напрямую, для доставки лекарств, хотя ослабленные версии подобных систем доставки могут вызывать нежелательный ответ иммунной системы. Другие методы лечения являются более сложными, требуя, например, чтобы кровь пациента была удалена, а затем проведена через электрическое поле для повышения проницаемости клеточной мембраны для лекарств.
Наноразмерный контейнер, разработанный Джорданом Грином и его коллегами, создан по принципу вирусов, многие из которых имеют почти сферическую форму и несут как отрицательные, так и положительные заряды. При более нейтральном общем заряде вирусы могут приблизиться к клеткам. Многие биологическимюе лекарства состоят из сильно заряженных крупных белков и нуклеиновых кислот, которые имеют тенденцию отталкивать клетки. Поэтому они не могут самостоятельно проникать в клетки.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи разработали новый биоразлагаемый полимерный материал. Для этого они соединили четыре молекулы, которые со временем распадаются и растворяются в воде. Молекулы имеют как положительные, так и отрицательные заряды. С таким балансом молекулы как отталкиваться, так и притягиваться в зависимости от заряда каждой из них, а атомы водорода связываются с биологическими препаратами, находящимися рядом. В результате собирается наноструктура, содержащая лекарство.
Схема самосборки наноконтейнера из молекул поли-(β-аминоэфира). Источник: статья в Science Advances.
Положительно заряженные молекулы наноразмерного контейнера взаимодействуют с мембраной клетки, и контейнер поглощается клеточным карманом – эндосомой. Оказавшись внутри, наноразмерный контейнер разрывает эндосому, полимеры разлагаются и растворяются, оставляя лекарство внутри клетки.
Чтобы протестировать свое изобретение, исследователи создали наноконтейнеры с белковыми молекулами и ввели их в чашку Петри с клетками почек мышей. Белковый «груз» был помечен зеленой флюоресцентной меткой. Вскоре в ярко-зеленый цвет окрасились почти все клетки, это доказало успешную доставку белка.
Затем в наноконтейнер была упакована более крупная молекула белка – человеческий иммуноглобулин, обычно используемый для коррекции иммунной системы. 90% эмбриональных человеческих клеток почек в чашке окрасились в зеленый цвет, которым пометили иммуноглобулин.
Конфокальная микроскопия эмбриональных почечных клеток человека. Наноконтейнеры с человеческим иммуноглобулином были доставлены внутрь клеток. Синим цветом окрашены ядра клеток, эндосомы окрашены розовым цветом, белки иммуноглобулина помечены зеленой флюоресцентной меткой. Источник: Johns Hopkins Medicine.
Проведенные эксперименты доказывают, что белковые молекулы равномерно распределяются внутри клеток, а не застревают или разрушаются в эндосомах.
Чтобы усложнить эксперимент, ученые создали наноконтейнер, содержащий комплекс белков и нуклеиновых кислот на основе CRISPR, который способен отключить сигнал зеленой флуоресценции и заставить клетки светиться красным, если система CRISPR удалит часть генома клетки. Исследователи отметили, что удаление генов произошло в 77% клеток. Учитывая, что с другими системами редактирования генов желаемый результат получают менее чем в 10% случаев, такой эффект можно считать достаточно высоким.
В последнем эксперименте группа имплантировала раковые клетки в мозг мышей. Наноконтейнеры с компонентами редактирования генов были введены прямо в мозг мышей, наличие красного свечения указало бы на успешное редактирование генов. Исследователи обнаружили раковые клетки, которые светились красным в нескольких миллиметрах от места их введения.
В настоящее время исследовательская группа пытается сделать наноконтейнеры более стабильными, чтобы их можно было вводить в кровоток и направлять к клеткам с определенными генетическими признаками.
Ученые подали заявки на патенты.
Статья Y. Rui et al. Carboxylated branched poly(β-amino ester) nanoparticles enable robust cytosolic protein delivery and CRISPR-Cas9 gene editing опубликована в журнале Science Advances.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Johns Hopkins Medicine: Little Size Holds Big Impact: Johns Hopkins Scientists Develop Nanocontainer to Ship Titan-Size Gene Therapies and Drugs Into Cells.