Muitas doenças podem ser tratadas com sucesso no ambiente simples de uma placa de cultura celular, mas para tratar com sucesso pessoas reais, o agente medicamentoso tem de fazer uma viagem através do ambiente infinitamente mais complexo dentro dos nossos corpos e chegar, intacto, dentro das células afetadas. Este processo, denominado entrega de medicamentos, é uma das barreiras mais significativas na medicina.



Uma colaboração entre o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e a Genentech, membro do Grupo Roche, está trabalhando para superar alguns dos gargalos na distribuição de medicamentos, projetando as nanopartículas lipídicas (LNPs) mais eficazes – pequenas bolsas esféricas feitas de moléculas gordurosas. que encapsulam agentes terapêuticos até que se acoplem às membranas celulares e liberem seu conteúdo. O primeiro medicamento a utilizar LNPs foi aprovado em 2018, mas o método de entrega ganhou destaque global com as vacinas mRNA COVID da Pfizer e Moderna.

“É um sistema bastante inteligente, porque se você simplesmente entregar o RNA ao corpo humano, o RNA é degradado pelas nucleases e não pode atravessar facilmente a membrana celular devido ao seu tamanho e carga, mas os LNPs o entregam com segurança na célula, " explicou o co-autor Chun-Wan Yen, cientista principal sênior do grupo de Ciências Farmacêuticas de Pequenas Moléculas da Genentech.

Os LNPs estão agora a ser amplamente explorados como um sistema de distribuição de vacinas para outras doenças infecciosas ou vacinas terapêuticas para o cancro. A viabilidade dessas novas aplicações dependerá de quão bem os envelopes lipídicos se fundem com as células-alvo, quão estáveis ​​​​são as formulações de fármaco-LNP no armazenamento (para que tenham uma vida útil longa) e quão estáveis ​​​​são no corpo (para que possam conferir atividade medicamentosa prolongada).

Todas essas propriedades são controladas pela mistura de moléculas usadas para criar o LNP e pela estrutura 3D resultante da partícula. A equipe liderada por Yen e seus colegas co-líderes Greg Hura e Michal Hammel, ambos biofísicos do Berkeley Lab, vem estudando há vários anos como ajustar a estrutura dos LNPs para as propriedades desejadas.

Seu último artigo, publicado recentemente na ACS Nano , documenta como um fluxo de trabalho de alto rendimento permite produzir e caracterizar LNPs em velocidade recorde. O estudo também inclui a primeira demonstração de como a estrutura do LNP se correlaciona com a atividade do seu conteúdo, que para esta investigação era um oligonucleotídeo anti-sentido (ASO). ASOs são pequenos fragmentos de pares de bases de RNA ou DNA que bloqueiam a expressão genética ligando-se a cadeias de mRNA e impedindo que sejam traduzidos em proteínas. Os ASOs são uma ótima maneira de tratar doenças causadas por proteínas defeituosas ou pela abundância excessiva de uma proteína. Mas, tal como o ARNm, são susceptíveis a nucleases itinerantes – enzimas que degradam o ARN e o ADN – e as células não as absorvem facilmente.

Os cientistas descobriram que LNPs portadores de ASO com estruturas internas bem ordenadas e compactadas levaram a um melhor silenciamento de um gene defeituoso em neurônios humanos que está associado a uma doença degenerativa, em comparação com LNPs que tinham uma estrutura mais desordenada. As descobertas vieram de atividades celulares, e não de estudos em animais, portanto ainda há mais trabalho pela frente, mas a equipe está entusiasmada em desenvolver esses insights usando as ferramentas complementares de cada instituição.

“Geramos os LNPs em alto rendimento e a equipe de Greg e Michal pode oferecer análises de alto rendimento”, disse Yen. “Se você verificar a publicação hoje em dia, eles normalmente fazem apenas uma ou duas formulações, mas para nós é diferente. Podemos gerar grandes conjuntos de dados, e acho que é por isso que podemos ter essa descoberta única e interessante.”

“Este artigo realmente define o método que vamos aplicar às milhares de outras formulações que pretendemos caracterizar”, acrescentou Hura, que faz parte da área de Biociências do Berkeley Lab. "Esperamos que este seja um método geral para as pessoas optimizarem as suas nanopartículas lipídicas. Quer se trate de vacinas, e mais uma vez, as vacinas têm recebido a maior atenção até agora, ou mais além. Este tipo de terapia tem uma aplicação muito ampla para além disso. ."

Como construir uma nanopartícula lipídica

As estruturas dos LNPs são afetadas pela forma como você os mistura, o que você mistura e em que ordem. Os LNPs têm quatro ingredientes - lipídios ionizáveis, fosfolipídios auxiliares, colesterol e lipídios de polietilenoglicol (lipídios PEG) - e cada ingrediente tem formas diferentes. Além disso, podem ser combinados em diferentes proporções, levando a um número exponencial de fórmulas possíveis. Para complicar ainda mais a situação, os LNPs mudam com o tempo. Uma formulação que começa como uma esfera organizada e compacta acabará se transformando em uma estrutura mais desordenada.

Cientistas da Genentech desenvolveram um fluxo de trabalho acionado por robô que pode gerar centenas de formulações de LNP em apenas algumas horas. Amostras de cada formulação são então levadas ao Laboratório de Berkeley para realizar espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS) na Fonte de Luz Avançada, um acelerador de partículas circular que cria feixes de raios X de diferentes energias.

A linha de luz biológica SAXS pode processar rapidamente muitas amostras e, ao contrário de outras formas de difração de raios X em materiais biológicos, as amostras não precisam ser congeladas ou cristalizadas – o que poderia alterar a estrutura dos LNPs e impedir que os cientistas descobrissem qual é o problema. Os LNPs seriam semelhantes às temperaturas fisiológicas do corpo humano. O SAXS também permite tirar instantâneos de LNPs em momentos específicos para determinar sua longevidade estrutural.

Além disso, a equipe da Genentech usa um processo acelerado para estudar como os LNPs afetam a expressão genética em suas células-alvo. Ao combinar todas estas técnicas aceleradas, toda a colaboração é capaz de rastrear potenciais LNPs a um ritmo sem precedentes.

Yen planeja continuar usando a linha de luz SAXS para estudar pequenos detalhes, como como uma mudança de 1% na concentração de ingredientes ou o uso de uma nova máquina durante a produção pode afetar a atividade celular do LNP, bem como grandes questões, como se os LNPs se comportam de maneira diferente se forem transportando outros tipos de carga e como eles interagem com diferentes células-alvo.

“Sabemos que os LNPs de mRNA funcionam, mas ainda existe uma enorme lacuna de conhecimento”, disse Yen. "É por isso que sinto que nosso artigo é pioneiro neste campo e espero que também possamos gerar mais dados e compreensão para aplicações futuras."

Mais informações: Michal Hammel et al, Correlacionando a estrutura e a atividade de silenciamento genético de nanopartículas lipídicas carregadas com oligonucleotídeos usando espalhamento de raios X de pequeno ângulo, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01186
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley