U NEDAVNO objavljenom radu znanstvenici su predstavili revolucionarnu metodu kojom su uspjeli popraviti neispravne gene moždanih stanica fetusa. Nova tehnologija, za sada testirana na miševima, mogla bi zaustaviti razvoj genetički uvjetovanih neuroloških poremećaja, poput Angelmanovog i Rettovog sindroma, prije rođenja.

Aijun Wang, glavni autor studije i profesor kirurgije i biomedicinskog inženjeringa na UC Davisu rekao je da je potencijal primjene ovog alata za liječenje neuroloških poremećaja velik. "Potencijalno možemo ispraviti genetske anomalije tijekom ključnih faza razvoja mozga", dodao je.

Studija, koja je rezultat suradnje Wang Laba i Murthy Laba na UC Berkeleyju, objavljena je 24. listopada u časopisu ACS Nano. Tim se nada da će uspjeti razviti ovu tehnologiju za liječenje genetskih poremećaja koji se mogu dijagnosticirati tijekom prenatalnih testiranja. Liječenje bi se moglo primijeniti još u maternici kako bi se spriječila oštećenja koja nastaju tijekom razvoja i sazrijevanja stanica.

Revolucionarna metoda dostave ispravnih gena

Autori u svojem radu navode da je već ranije prepoznato da uređivanje gena uz pomoć mRNA ima potencijal u liječenju neuroloških poremećaja. No ističu da je "ključna prepreka za kliničku primjenu do sada bio nedostatak dostavnih vozila za mRNA koja mogu učinkovito transficirati stanice u mozgu."

Transficirati stanice znači unijeti vanjski genetski materijal, poput DNA ili RNA, u stanice kako bi one proizvele određeni protein ili izvršile željenu funkciju. Postupak transfekcije već se godinama koristi u laboratorijskim uvjetima za manipulaciju genima, bilo da se radi o ispravljanju genetskih grešaka, proučavanju funkcije gena ili proizvodnji proteina.

Ključna uloga proteina

Ovdje je važno istaknuti da ključnu ulogu u funkcioniranju našeg tijela imaju proteini. Oni obavljaju funkcije poput izgradnje stanica i tkiva, prijenosa molekula, regulacije gena, omogućavanja imunosnog odgovora te, kao enzimi, kataliziranja kemijskih reakcija. Kod određenih genetskih stanja, geni proizvode više ili manje proteina nego što je tijelu potrebno, što može izazvati neravnotežu i uzrokovati bolesti.

Liječenje pomoću mRNA

Znanstvenici su već ranije otkrili način dostave glasničke RNA (messenger RNA, mRNA) u stanice koje potom tu informaciju koriste za stvaranje funkcionalnih proteina. Ta metoda iskorištena je za razvoj mRNA cjepiva. U njoj se mRNA dostavlja u lipidnim nanočesticama (LNP) u stanice kako bi se izgradio virusni protein na koji će organizam stvoriti imunosni odgovor.

Usavršene nanočestice

U nedavnoj studiji, objavljenoj u časopisu Nature Nanotechnology, Wang, Niren Murthy i njihov tim predstavili su novorazvijene komplekse lipidnih nanočestica (LNP) i mRNA koji mogu poboljšati liječenje genetskih bolesti.

Naime, medicinske primjene LNP-ova ograničene su zbog nedovoljnog oslobađanja iz endosoma, visoke toksičnosti i dugog vremena zadržavanja u tkivu. LNP-ovi koji se brzo hidroliziraju u endosomima (RD-LNP) mogli bi riješiti probleme koji ograničavaju liječenje na bazi LNP-a i značajno proširiti njihove primjene, no njih je teško sintetizirati", tumače autori.

Ovdje je važno istaknuti da je učinkovitost NLP-ova blisko povezana s toksičnošću. Ako je unos NLP-ova neučinkovit, znanstvenici trebaju koristiti više nanočestica, što znači veće ili učestalije doze koje mogu izazvati toksičnu imunosnu reakciju.

Autori u novoj studiji opisuju svoju novu formulaciju LNP-a za sigurnu i učinkovitu dostavu mRNA u stanice.

Lipidne nanočestice koje sadrže mRNA moraju stići do stanica, gdje se unose putem endocitoze, procesa kojim stanica membranom obuhvaća tvari iz okoline i formira vezikulu koja se prenosi u unutrašnjost stanice. Stanica potom razgrađuje LNP i oslobađa njegovu prtljagu - mRNA.

"LNP-ovi razvijeni u ovoj studiji koriste novu kiselinsku razgradivu vezu koja omogućava LNP-ovima brzo razgrađivanje unutar stanica. Novi spoj također omogućava dizajniranje LNP-ova s manjom toksičnošću", izjavio je koautor istraživanja Murthy, profesor bioinženjeringa na Sveučilištu Kalifornija u Berkeleyju.

Studija je pokazala da je nova LNP metoda učinkovitija u dostavi mRNA te da smanjuje potrebu za potencijalno toksičnim dozama.

Slanje uputa za izgradnju enzima za uređivanje gena

Nova studija opisuje korištenje LNP tehnologije za dostavu mRNA CAS9 za liječenje genetskih bolesti središnjeg živčanog sustava u maternici. Istraživači su testirali alat na genu odgovornom za Angelmanov sindrom, rijetki neurološki poremećaj.

Kod genetskih stanja, oštećenje se akumulira tijekom trudnoće i neposredno nakon rođenja. Istraživanja pokazuju da je učinak genskog liječenja bolji ako se ono obavi prije nego što se, nakon rođenja, potpuno formira krvno-moždana barijera.

U novoj studiji cilj je bio zaustaviti napredovanje bolesti in utero.

Znanstvenici su injektirali LNP-ove s mRNA u ventrikule mozga fetusa miša. Unesena mRNACAS9 se u stanicama prevela u protein CAS9 koji djeluje poput škara za uređivanje gena. CAS9 uz pomoć molekule vodiča RNA, prepoznaje specifični slijed DNA u genomu, zatim reže DNA na tom mjestu i omogućuje znanstvenicima da uklone, dodaju ili izmijene genetski materijal kako bi ispravili mutacije.

U novoj studiji tako stvoren CAS9 uredio je gen odgovoran za Angelmanov sindrom. Wang je objasnio da je mRNA poput Lego uputa koje daju smjernice za sastavljanje funkcionalnih proteina. "Sama stanica već ima sve potrebne dijelove za izgradnju CAS9. Mi samo trebamo dostaviti mRNA slijed, a stanica će ga prevesti u proteine", dodao je.

Vrlo visoka učinkovitost

Studija je pokazala da je novorazvijeni LNP alat vrlo učinkovit u dostavi mRNA koja se prevela u CAS9. Nanočestice su transficirale neuralne matične stanice i progenitorske stanice mozga u razvoju i dovele do uređivanja gena u 30% matičnih stanica mozga u modelu miša.

"Transficiranje 30% cijelog mozga, posebno matičnih stanica, velik je uspjeh. Te stanice migriraju i šire se na mnogo mjesta u mozgu kako se fetus dalje razvija", rekao je Wang.

U istraživanju, kako je fetalni razvoj napredovao, matične stanice su se umnažale i migrirale kako bi oblikovale središnji živčani sustav. Studija je otkrila da je u konačnici više od 60% neurona u hipokampusu i 40% neurona u korteksu bilo transficirano.

"Ovo je metoda s velikim potencijalom primjene za genetske poremećaje koji utječu na središnji živčani sustav. Kada se bebe rode, mnogi neuroni mogli bi već biti ispravljeni. To znači da bi beba mogla biti rođena bez simptoma", objasnio je Wang.

Uspješnost može biti još veća

Wang očekuje još veći postotak transficiranih stanica u modelu miša s bolesnim stanicama.

"Loši neuroni s mutacijom mogu biti uništeni nakupljanjem simptoma bolesti, a dobri neuroni mogu ostati i proliferirati. To bi moglo dovesti do povećane učinkovitosti liječenja. Ako dovoljno dobro razumijemo kako stanice funkcioniraju, možemo iskoristiti to znanje za suradnju s prirodnim putovima koji postoje u stanici", rekao je.