Gentherapie: niet-virale vectoren

Dit verhaal maakt deel uit van een serie over de huidige vooruitgang in de regeneratieve geneeskunde. In 1999 definieerde ik regeneratieve geneeskunde als de verzameling interventies die weefsels en organen herstellen die door ziekte zijn beschadigd, gewond zijn geraakt door trauma of door de tijd zijn versleten tot normaal functioneren. Ik omvat een volledig spectrum van chemische, gen- en eiwitgebaseerde medicijnen, celgebaseerde therapieën en biomechanische interventies die dat doel bereiken.

In deze deelreeks richten we ons specifiek op gentherapieën. We verkennen de huidige behandelingen en onderzoeken de vooruitgang die op het punt staat de gezondheidszorg te transformeren. Elk artikel in deze collectie duikt in een ander aspect van de rol van gentherapie binnen het grotere verhaal van de regeneratieve geneeskunde. Dit stuk vervolgt een miniserie over gentherapievectoren en hun betekenis. Concreet begint dit stuk met een tweedelig verhaal over niet-virale methoden en vectoren voor gentherapie.

De moderne geneeskunde zoekt voortdurend naar veiligere en efficiëntere manieren om genetische aandoeningen te behandelen. Een baanbrekende oplossing die naar voren is gekomen, is het gebruik van niet-virale vectoren. Deze vectoren hebben veel voordelen waardoor ze populair zijn geworden onder onderzoekers.

Het vakgebied onderzoekt de grenswetenschap achter niet-virale vectoren zoals liposomen, kationische polymeren, gouden nanodeeltjes, exosomen, ferritine en rode celmembranen. Deze vectoren kondigen een nieuwe golf aan in het waarmaken van de belofte van gentherapie aan zieke cellen, en bieden hoop op een betere toekomst.

Liposomen: cellulaire levering opnieuw bedacht

Dankzij hun opmerkelijke compatibiliteit en werkzaamheid voeren liposomen de leiding als de meest voorkomende niet-virale vectoren. Deze microscopisch kleine, bolvormige omhulsels, gesynthetiseerd uit natuurlijk voorkomende lipiden, kapselen nucleïnezuren in en bieden een veilige doorgang door de immuunafweer van het lichaam. Hun dubbellaagse lipidestructuur sluit naadloos aan op de celmembranen, waardoor DNA en RNA rechtstreeks in het heiligdom van de cel worden geïntroduceerd – een handig trucje zonder immunogene eiwitten.

Met een gerichte aanpak voor de ontwikkeling van gespecialiseerde afgiftesystemen voor lipidenanodeeltjes (LNP) voor op RNA gebaseerde therapieën zoals klein interfererend RNA (siRNA), Alnylam heeft veel van de eerder tegengekomen beperkingen op dit gebied overwonnen. Hun strategieën omvatten de ingenieus ontworpen kationische liposomen die in staat zijn tot DNA- en RNA-afgifte, gePEGyleerde liposomen voor verbeterde farmacokinetiek resulterend in langere circulatietijden, en liposomen gericht op liganden voor nauwkeurige cellulaire betrokkenheid.

Een opwindend aspect van genafgifte is kationische liposomen (CL’s), een op lipiden gebaseerd nanodeeltje dat nucleïnezuren zoals DNA en RNA efficiënt naar cellen kan transporteren. Een belangrijk voordeel van CL’s is hun positieve lading, waardoor ze zich effectief kunnen binden aan de negatief geladen strengen van genetische blauwdrukken. Deze interactie tussen de CL’s en het genetische materiaal bevordert de cellulaire opname en kan de efficiëntie van genafgifte verbeteren.

Een opmerkelijk succesverhaal met betrekking tot liposomen als vectoren voor gentherapie is hun toepassing bij de behandeling genetische eierstokkanker. In klinische onderzoeken hebben onderzoekers dat wel gedaan met succes liposomale vectoren toegepast om genetisch materiaal rechtstreeks naar de longen te brengen van patiënten die lijden aan aandoeningen zoals cystische fibrose.

Gouden nanodeeltjes: precisietargeting in gentherapie

Gouden nanodeeltjes zijn minuscule deeltjes gemaakt van goud met verschillende kenmerken waardoor ze zeer effectief zijn in het rechtstreeks overbrengen van genetische sequenties naar cellen. Ze worden een soort kameleons. Ze kunnen worden uitgerust met positief geladen componenten die de negatief geladen DNA-strengen magnetisch naar binnen trekken, waardoor ze de genetische sequenties stevig kunnen vasthouden. Deze deeltjes kunnen aan DNA of RNA worden vastgemaakt, hetzij stevig opgesloten via chemische binding, hetzij losser vastgemaakt, om stabiliteit tijdens de toediening in cellen te garanderen.

Om hun cellulaire doelen te bereiken, kunnen gouden nanodeeltjes gespecialiseerde liganden gebruiken, zoals foliumzuur, waardoor hun vermogen om DNA aan specifieke soorten cellen af ​​te leveren, wordt verfijnd. Sommige nanodeeltjes zijn zo ontworpen dat ze reageren op stimuli, zoals rood licht of een verschuiving in het oxidatieniveau, waardoor het DNA wordt geactiveerd dat vrijkomt op de plek waar het nodig is in de cel.

Een nieuwe technologie genaamd “CRISPR-Goud” is ontwikkeld met behulp van gouden nanodeeltjes. Het kan de CRISPR-componenten inkapselen, waaronder het Cas9-enzym, gids-RNA en donor-DNA. In een onderzoekwerd dit systeem geleverd aan muismodellen van Duchenne-spierdystrofie (DMD) om het defecte dystrofine-gen te corrigeren. Dit leidde tot verbeterde spierkracht en verminderde fibrose. De CRISPR-Gold-aanpak vertoonde een hoge efficiëntie, met 5,4% van de dystrofinegen-gecorrigeerde en minimale off-target-effecten.

Over het algemeen hebben gouden nanodeeltjes veelbelovende toepassingen bij de afgifte van genen. Potentiële bijwerkingen moeten grondig worden onderzocht en beperkt, vooral bij hoge concentraties of bij een onjuist ontwerp. In combinatie met technieken zoals elektroporatie of echografie is dat mogelijk profiteren van het EPR-effect (verbeterde permeabiliteit en retentie) in pathologische weefsels, waardoor ze zich in hogere concentraties op de ziekteplaats kunnen ophopen. Het EPR-effect treedt op vanwege de unieke eigenschappen van pathologische weefsels die worden gekenmerkt door een aangetast vaatstelsel. De bloedvaten van deze weefsels hebben gaten tussen de cellen. Hierdoor lekken ze en kunnen grotere deeltjes, zoals gouden nanodeeltjes, gemakkelijker binnendringen.

Elektroporatie

Elektroporatie is een cruciale techniek in de gentherapie, die de overdracht van genetisch materiaal naar cellen mogelijk maakt met een efficiëntie die ooit onhaalbaar werd geacht. Het fundamentele principe van elektroporatie ligt in het toepassen van elektrische hoogspanningspulsen die de fosfolipidedubbellaag van celmembranen tijdelijk verstoren. Dit tijdelijke verstoring manifesteert zich als poriën zich binnen het membraan vormen, waardoor moleculen zoals DNA en RNA, die doorgaans niet gemakkelijk door het membraan kunnen dringen, het inwendige van de cel binnenglippen.

Gecontroleerde elektrische pulsen vormen deze “elektroporiën”, hun grootte en levensduur kunnen worden aangepast door pulsparameters te manipuleren. Door de spanning, de pulsduur en het aantal pulsen nauwkeurig af te stemmen, kan het proces worden geoptimaliseerd voor verschillende celtypen en materialen die bedoeld zijn voor internalisatie, waardoor de methode zowel nauwkeurig als veelzijdig is.

Verschillende sterke punten hebben de strategische rol van Electroporation in gentherapie versterkt. Het verhoogt de transfectiesnelheid, zelfs voor recalcitrante cellen, en optimaliseert de in vitro En in vivo toepassing voor talrijke therapeutische scenario’s, en omzeilt veel veiligheidsproblemen die vaak geassocieerd worden met virale vectoren. De veelzijdigheid van elektroporatie blijkt ook duidelijk omdat het verschillende manieren van genoverdracht mogelijk maakt, die tegemoetkomen aan de specifieke behoeften van mensen in vivo of ex vivo protocollen.

Gentherapie heeft een revolutie teweeggebracht door elektroporatie, waardoor de veiligheid, werkzaamheid en flexibiliteit zijn verbeterd. We onderzoeken nu echter natuurlijke intracellulaire communicatiemethoden, zoals exosomen, naarmate de technologie voor genmanipulatie vordert.

Exosomen: de ingenieuze boodschappers van de natuur

Exosomen zijn kleine blaasjes die van nature door cellen worden geproduceerd en een cruciale rol spelen in de intercellulaire communicatie. Deze lipidenpakketten bevatten verschillende biomoleculen, waaronder eiwitten, lipiden en nucleïnezuren. Ze spelen ook een rol in veel biologische processen, zoals immuunreacties, weefselherstel en genregulatie.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat exosomen ook kunnen worden gebruikt als dragers voor gentherapie. Door deze blaasjes te ontwikkelen is het mogelijk profiteren van hun unieke vaardigheden om biologische barrières te doorbreken en therapeutische nucleïnezuren af ​​te leveren aan doelgebieden. De omzetting van exosomen in gentherapievehikels vereist een zorgvuldige manipulatie van hun lipidensamenstelling en oppervlakte-eiwitten.

Ferritine: ijzersterke levering

Het ijzeropslagsysteem van het menselijk lichaam, ferritine, Er is gevonden dat het een uniek vermogen heeft om als drager voor nucleïnezuren te fungeren. Deze dragertechnologie omvat het modificeren van ferritine om als een vector te werken, waardoor het zich specifiek kan richten op en zich kan binden aan cellulaire receptoren, waardoor de receptor-gemedieerde opname van genezende genen in doelcellen wordt bevorderd.

Deze innovatieve technologie beschermt tegen toezicht van het immuunsysteem en voorkomt dat het therapeutische nucleïnezuren herkent en aanvalt. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat deze nucleïnezuren hun beoogde doel efficiënter kunnen bereiken. Door te werken als een Trojaans paard voor nucleïnezuren heeft deze technologie het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de gentherapie en verschillende genetische aandoeningen te behandelen. Helaas hebben we nog geen expliciete succesvolle gevallen gevonden van het gebruik van deze vectoren buiten kankertherapie en chemotherapiebehandelingen. Het potentieel van deze technologie is echter veelbelovend.

Uitdagingen en kansen

Niet-virale vectoren komen naar voren als een veelbelovende aanpak voor gentherapie. In tegenstelling tot virale vectoren, ze brengen niet dezelfde potentiële veiligheidsrisico’s met zich mee geassocieerd met virale infecties. Niet-virale vectoren kunnen worden geformuleerd met verschillende materialen zoals lipiden, polymeren, peptiden en anorganische nanodeeltjes. Ze hebben de potentieel om grote gensequenties te dragen, de immuunrespons te verlagen, En grootschalige productie mogelijk maken.

Niet-virale vectoren worden echter geconfronteerd verschillende uitdagingen die hun werkzaamheid beperken. Eén belangrijke uitdaging is de lage efficiëntie van de cellulaire opname, wat betekent dat slechts een klein deel van de toegediende vector de doelcellen bereikt. Een andere uitdaging is het opruimen van de vector door immuunsurveillance, die de vector als een vreemde entiteit herkent en deze uit het lichaam verwijdert. Bovendien kunnen niet-virale vectoren in het lichaam worden afgebroken voordat ze hun beoogde doel bereiken. Ondanks deze uitdagingenboeken we voortdurend vooruitgang bij de ontwikkeling van niet-virale vectoren voor gentherapie.

Voor meer informatie over regeneratieve geneeskunde kunt u meer verhalen lezen op www.williamhaseltine.com