Nos últimos anos, as terapias celulares e genéticas têm-se mostrado promissoras no tratamento do cancro, da fibrose quística, da diabetes, das doenças cardíacas, do VIH/SIDA e de outras doenças difíceis de tratar. Mas a falta de formas eficazes de fornecer tratamentos biológicos ao corpo tem constituído uma grande barreira para trazer estas novas terapias para o mercado – e, em última análise, para os pacientes que mais precisam delas.



Agora, os biólogos sintéticos da Northwestern University desenvolveram uma nova plataforma flexível que resolve parte deste assustador problema de entrega. Imitando os processos naturais utilizados pelos vírus, o sistema de administração liga-se às células-alvo e transfere eficazmente os medicamentos para o seu interior.

Os burros de carga por trás desta nova plataforma são as vesículas extracelulares (EVs) – minúsculas nanopartículas do tamanho de vírus que todas as células já produzem naturalmente. No novo estudo, os investigadores usaram a abordagem poderosa da biologia sintética para construir “programas” de ADN que – quando inseridos em células “produtoras” – direcionam essas células para automontarem EVs personalizados com características de superfície úteis. Os programas também direcionam as células para produzir e carregar os VEs com medicamentos biológicos.

Em experiências de prova de conceito, as partículas entregaram com sucesso medicamentos biológicos – neste caso, agentes de edição genética CRISPR que eliminaram um receptor utilizado pelo VIH – às células T, que são notoriamente difíceis de atingir. Os pesquisadores também levantam a hipótese de que o sistema deveria funcionar para muitos medicamentos e muitos tipos de células.

A pesquisa foi publicada hoje (27 de novembro) na revista Nature Biomedical Engineering . É o primeiro estudo a usar VEs com sucesso para entregar carga em células T.

"A revolução genómica transformou a nossa compreensão das bases moleculares de muitas doenças, mas estas descobertas não resultaram em novos medicamentos por uma razão fundamental:falta-nos a tecnologia necessária para fornecer medicamentos direcionados a locais específicos do corpo onde são necessários, ", disse Joshua N. Leonard, da Northwestern, que liderou o estudo.

"Esses desafios de entrega compartilhada estão nos impedindo. Ao disponibilizar plataformas de entrega amplamente capacitadas, podemos eliminar uma enorme quantidade de riscos e custos de trazer novos medicamentos para ensaios clínicos ou para o mercado. Em vez de projetar um novo sistema de entrega toda vez que uma empresa fabrica um novo medicamento, esperamos que eles possam usar plataformas modulares e reconfiguráveis ​​como a nossa, acelerando assim a taxa de desenvolvimento e avaliação de terapias genéticas e celulares."

As promessas e os desafios da distribuição direcionada de medicamentos

Ao substituir genes defeituosos ou fornecer novos genes ou células saudáveis ​​a um paciente, as terapias genéticas e celulares são promissoras para o tratamento de uma ampla gama de doenças. Usando um veículo de entrega, as terapias genéticas entram no corpo para transferir material genético para células específicas para tratar ou prevenir doenças. As terapias celulares usam uma abordagem semelhante, mas transferem células completas, que normalmente são modificadas fora do corpo antes de serem administradas.

Nos casos mais bem-sucedidos, os vetores virais – que utilizam partes derivadas de vírus, mas não podem causar uma infecção – serviram como mecanismo de entrega para terapias celulares e genéticas. Mas esta estratégia tem limitações. O sistema imunitário por vezes reconhece partes do vírus como estranhas e bloqueia esses vectores antes de entregarem a sua carga.

“Os vírus têm uma capacidade natural de entrar nas células e entregar cargas”, disse Leonard. “Pegar emprestado partes virais é uma estratégia eficaz para conseguir a entrega, mas você fica um tanto limitado aos tipos de entrega que o vírus evoluiu para fazer. É necessário um trabalho substancial de engenharia para ajustar esses sistemas e alterar suas funções para cada aplicativo. , em vez disso, tentamos imitar a estratégia que os vírus desenvolveram, mas usamos novas 'partes' biológicas para superar algumas limitações dos vetores virais e, em última análise, tornar possíveis novas funcionalidades."

Para projetar um veículo multifuncional, os pesquisadores recorreram aos VEs, que Leonard descreveu como “uma tábula rasa”. Em todos os seres vivos (desde leveduras a plantas e humanos), as células libertam naturalmente EVs, que os investigadores consideram que desempenham um papel importante na comunicação entre as células e nos processos naturais, como a função imunitária.

“Essas partículas são liberadas e absorvidas pelas células o tempo todo – tanto em processos saudáveis ​​quanto em doenças”, disse Leonard. “Por exemplo, sabemos que as células cancerígenas libertam EVs, e isso parece ser parte do processo pelo qual o cancro se espalha de um local para outro. Por outro lado, os EVs também transferem amostras de agentes patogénicos invasores de células infectadas para células imunitárias. , ajudando o corpo a organizar uma resposta eficaz."

Aproveitando uma 'lousa em branco'

Para a plataforma baseada em EV de Leonard, sua equipe desenvolveu e sintetizou moléculas de DNA personalizadas que foram introduzidas em uma célula produtora. O DNA forneceu instruções para a célula produtora produzir novas biomoléculas e depois carregar essas moléculas na superfície e no interior dos VEs. Isto gerou efetivamente veículos elétricos adornados com características especificamente projetadas – e carga já rebocada.

"Tratamos os EVs produzidos pelas células como essencialmente uma folha em branco sobre a qual podemos compor novas funções, projetando essas células produtoras para expressar proteínas e ácidos nucléicos modificados ou naturais", disse Leonard. “Isso altera a função do EV e pode conter carga terapêutica bioativa”.

Para terem sucesso, os EVs devem atingir as células corretas, transferir a sua carga para essas células e evitar efeitos secundários – tudo isto evitando o sistema imunitário sempre vigilante do paciente. Em comparação com os vírus, os EVs são provavelmente mais capazes de escapar à rejeição pelo sistema imunitário. Como os VEs podem ser produzidos com materiais encontrados em grande parte nas próprias células do paciente, é menos provável que o corpo trate as partículas como uma substância estranha.

O desafio das células T

Para testar o conceito, Leonard e sua equipe procuraram um alvo atraente, porém teimoso:as células T. Como as células T ajudam naturalmente o corpo a combater germes e doenças, os pesquisadores procuraram melhorar as habilidades naturais das células T para aplicações de imunoterapia.

"A maioria das células está constantemente a recolher pequenas amostras do seu ambiente", disse o principal autor do estudo, Devin Stranford, formado no laboratório de Leonard e agora cientista na Syenex. “Mas, por alguma razão, as células T não fazem isso tanto. Portanto, é um desafio entregar medicamentos às células T porque elas não os absorvem ativamente. ocorrer."

Nos experimentos, os pesquisadores projetaram uma célula produtora para gerar EVs carregados com Cas9, uma proteína que faz parte do sistema CRISPR, emparelhada com uma molécula de RNA projetada para direcioná-la a reconhecer e alterar uma sequência específica de DNA no genoma de uma célula. Os pesquisadores introduziram os EVs modificados em uma cultura de células T. Os EVs ligaram-se eficientemente às células T e entregaram a sua carga com sucesso, levando a uma edição genética que inactivou o gene que codifica um receptor utilizado pelo VIH para infectar as células T. Embora o tratamento de infecções por VIH não fosse um objectivo imediato deste projecto, este trabalho ilustra, no entanto, essa promessa, demonstrando os tipos de novas funções terapêuticas que a tecnologia permite.

“Um dos principais objetivos deste trabalho foi usar métodos rigorosos para garantir que a carga chegasse até onde precisava”, disse Leonard. “Como estamos fazendo edições no genoma dessas células, podemos usar tecnologias poderosas, como o sequenciamento de próxima geração, para confirmar se essas edições exatas estavam presentes nas células receptoras, no local do genoma onde eram pretendidas”.

O que vem a seguir?

Chamada GEMINI (Nanovesículas Integradas Multifuncionais Geneticamente Codificadas), a nova plataforma representa um conjunto de tecnologias para a engenharia genética de células para produzir EVs multifuncionais para atender às diversas necessidades dos pacientes.

“Dependendo do tratamento, pode ser necessário um bilhão de VEs”, disse ele. "Mas, por serem tão pequenos, é na verdade uma pequena quantidade de material. Outros já demonstraram que os VE podem ser produzidos de formas clinicamente traduzíveis em escala comercial. Na verdade, um benefício particular da codificação biológica das funções dos VE, como fizemos, é que toda a complexidade entra na engenharia dos programas de DNA. Uma vez feito isso, tais processos são prontamente compatíveis com métodos de fabricação existentes e maduros."

Através da Syenex, Leonard espera usar a plataforma GEMINI, juntamente com outras tecnologias de biologia sintética, para gerar rapidamente os melhores veículos de entrega que permitam aos desenvolvedores - desde spinouts acadêmicos até empresas maduras de biotecnologia - projetar novas células e genes que mudem vidas. terapias.

"Ao demonstrar a capacidade de codificar geneticamente composições de carga e superfície de nanovesículas com a plataforma GEMINI, podemos transformar um difícil problema de biologia em um problema mais fácil de engenharia de DNA", disse Leonard. "Isso nos permite aproveitar as melhorias exponenciais contínuas na síntese e sequenciamento de DNA que impulsionaram o crescimento da biologia sintética. Estamos otimistas de que essas abordagens permitirão que os pesquisadores resolvam os grandes desafios de entrega e desenvolvam tratamentos novos e aprimorados que beneficiem uma ampla gama de pacientes."

Mais informações: Devin M. Stranford et al, Codificando geneticamente múltiplas funcionalidades em vesículas extracelulares para a entrega direcionada de produtos biológicos às células T, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI:10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x
Informações do diário: Engenharia Biomédica da Natureza

Fornecido pela Northwestern University