Um extenso experimento testando os efeitos imunológicos de um amplo grupo de nanopartículas de ácido nucleico projetadas em laboratório não encontrou um forte, resposta imunológica uniforme, como havia sido previsto. Em vez de, os testes encontraram respostas variadas e específicas de diferentes células imunológicas, dependendo da forma e formulação de cada partícula, uma descoberta que pode encorajar um estudo mais aprofundado do uso terapêutico das partículas.

Além disso, os pesquisadores acreditam que podem ter descoberto um sistema "auxiliar" para gerenciar a resposta imunológica - um "alfabeto" molecular para se comunicar com o sistema imunológico humano.

As descobertas foram relatadas recentemente por Enping Hong, Ankit Shah, e Marina Dobrovolskaia do Laboratório Frederick de Pesquisa do Câncer, Emil Khisamutdinov da Ball State University e Justin Halman e Kirill Afonin da University of North Carolina em Charlotte no jornal Nano Letras .

A ideia já existe há algum tempo de que segmentos selecionados de RNA ou DNA poderiam ser usados ​​terapeuticamente - ácidos nucleicos terapêuticos - para afetar o gene ou a função celular. Infelizmente, em ensaios clínicos, a maioria dessas moléculas terapêuticas propostas provou ter um efeito colateral extremo - elas provocaram uma forte, reação freqüentemente fatal das células imunológicas do corpo humano.

Mais recentemente, nanotecnologistas propuseram projetar nanopartículas de automontagem com o RNA potencialmente terapêutico ou sequências de DNA, combinar os efeitos de várias sequências em uma droga direcionada, dando vários efeitos em uma única partícula, moldado em várias formas de designer - quadrados, triângulos, cubos, e outras estruturas. Essas partículas terapêuticas potencialmente poderosas demoraram a ser testadas, no entanto, porque os pesquisadores teorizaram que eles provavelmente teriam os mesmos efeitos "imunotóxicos" que os fragmentos naturais de ácido nucléico.

Contudo, alguns nanocientistas questionaram se as reações imunológicas projetadas seriam necessariamente o caso por causa das complexidades do reconhecimento do sistema imunológico e propriedades únicas criadas pela montagem de materiais tradicionais em nanopartículas de várias formas e estruturas.

"Mesmo que as nanopartículas de ácido nucleico sejam compostas de componentes com toxicidades imunológicas conhecidas, depois de combiná-los e reformulá-los, a nanoformulação se torna uma besta completamente diferente, "disse Afonin, um dos autores correspondentes do artigo.

"Nossas descobertas mostraram que, embora algumas das previsões estivessem corretas, muitos estavam completamente errados, "observou Afonin." Você não pode prever a imunotoxicidade das nanopartículas de ácido nucleico puramente analisando as respostas aos DNAs e RNAs produzidos naturalmente. Obtivemos alguns resultados inesperados. "

Para testar a imunotoxicidade das partículas e talvez encontrar pistas para os mecanismos envolvidos na resposta das células imunológicas, Afonin e seus colegas selecionaram uma "biblioteca" de 25 diferentes nanopartículas de ácido nucleico de DNA ou RNA projetadas por pesquisadores da área, cuidadosamente escolhidos para "abordar todas as ligações possíveis" entre suas propriedades moleculares e reações imunológicas. A biblioteca incluiu uma amostra representativa de planar (plano), partículas globulares e fibrosas (semelhantes a fios), com diferentes tamanhos e pesos moleculares, bem como diferindo em uma variedade de atributos químicos críticos. As partículas foram introduzidas nas células do sistema imunológico (células mononucleares do sangue periférico) do sangue de 60 doadores humanos únicos e monitoradas para a produção de 29 citocinas diferentes.

Os detalhes das descobertas foram reveladores quanto à imunotoxicidade das partículas, pois a resposta imune variava. Mas os resultados também revelaram informações sobre o comportamento específico de várias células do sistema imunológico.

Uma descoberta fundamental foi que as nanopartículas de ácido nucleico "nuas" (não ligadas a outras moléculas biológicas) não causaram nenhuma resposta imunológica - porque, a equipe encontrou, ao contrário de fragmentos de DNA ou RNA que ocorrem naturalmente, as partículas construídas não podiam entrar em nenhuma célula imunológica sem algum tipo de molécula "portadora" que permitisse sua entrada. Efetivamente, nanopartículas de ácido nucléico simples são "invisíveis" para o sistema imunológico humano.

Uma vez que as partículas foram emparelhadas com moléculas transportadoras, Contudo, eles foram capazes de entrar nas células, e obteve respostas claras, como os pesquisadores esperavam. "A questão é quando enviamos esta partícula para dentro da célula humana, o que faz o celular, particularmente a célula imunológica, "Afonin perguntou-se." Será que ele vê uma forma específica como uma ameaça? "

Os resultados mostram que o tamanho da partícula, forma, Estrutura 3-D (cubos, por exemplo, em comparação com quadrados planos), Composição de DNA ou RNA, e a natureza química de como as partículas foram montadas ("conectividade"), todos tiveram efeitos distintos na resposta imunológica e em quais células imunológicas responderam.

Entre os detalhes descobertos está a descoberta de que partículas compostas de DNA tendem a causar menos resposta imunológica do que as de RNA. Os anéis de RNA (estruturas planas) e as fibras de RNA causaram menos resposta imunológica do que os cubos de RNA (estruturas globulares). Em mais detalhes, Cubos de DNA induziram a produção de citocinas de interferons alfa e ômega tipo I, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, and eventually, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, por exemplo.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."