Un trio di amminoacidi comuni potrebbe essere la chiave per sbloccare terapie geniche molto più potenti.

Tuttavia, i progressi sono stati rallentati da una sfida persistente. Affinché le nanoparticelle lipidiche (LNP) funzionino all’interno del corpo, devono fondersi con le membrane cellulari e rilasciare il loro contenuto. Sebbene questo processo funzioni in modo efficiente negli esperimenti di laboratorio, è molto meno efficace in condizioni biologiche reali.

Gli scienziati scoprono una semplice soluzione a base di amminoacidi

Un team di ricerca del Biohub ha individuato un modo sorprendentemente semplice per migliorare questo processo. In uno studio pubblicato su Science Translational Medicine , i ricercatori guidati da Daniel Zongjie Wang, PhD, e Shana O. Kelley, PhD, hanno dimostrato che l’aggiunta di tre amminoacidi comuni – metionina, arginina e serina – insieme alle nanoparticelle lipidiche (LNP) può migliorare drasticamente le prestazioni. Questa combinazione ha aumentato il rilascio di mRNA fino a 20 volte e ha portato l’efficienza dell’editing genetico CRISPR da circa il 25% a quasi il 90% dopo una singola dose.

“L’editing genetico e le terapie basate sull’mRNA avranno un ruolo sempre più importante nella medicina del futuro, ma richiedono che le nanoparticelle lipidiche (LNP) raggiungano e penetrino nelle cellule”, ha affermato Kelley, presidente della divisione di bioingegneria di Biohub e responsabile di Biohub Chicago, dove gli scienziati stanno decodificando i processi infiammatori alla base di un’ampia gamma di malattie. “Qualsiasi formulazione di LNP in fase di sviluppo oggi potrebbe potenzialmente trarre vantaggio dal nostro approccio.”

La scoperta deriva dalla più ampia strategia del team, che consiste nello studiare la biologia in condizioni che meglio rispecchiano il corpo umano. “È proprio questo che ci ha portato qui”, ha affermato Wang, a capo dello Spatiotemporal Omics Group di Biohub. “Chiedendoci perché le nanoparticelle lipidiche si comportino in modo così diverso nell’ambiente fisiologico del corpo, abbiamo trovato una risposta sorprendentemente semplice che potrebbe rendere un’ampia gamma di terapie di editing genetico e dell’mRNA sostanzialmente più efficaci.”

Una barriera metabolica all’interno delle cellule

Finora, la maggior parte degli sforzi per migliorare le prestazioni delle nanoparticelle lipidiche si è concentrata sulla riprogettazione delle nanoparticelle stesse. Gli scienziati hanno testato centinaia di nuove combinazioni di lipidi e utilizzato l’intelligenza artificiale per esplorare innumerevoli formulazioni. Nonostante questi sforzi, i risultati clinici sono rimasti deludenti.

I ricercatori del Biohub hanno adottato un approccio diverso. Invece di modificare il sistema di somministrazione, hanno studiato se fossero le cellule stesse a limitare l’assorbimento. Hanno esplorato la possibilità di incoraggiare le cellule ad assorbire più facilmente le nanoparticelle lipidiche (LNP).

“Il settore ha profuso enormi sforzi nell’ingegnerizzazione delle nanoparticelle”, ha affermato Wang. “Abbiamo scoperto, tuttavia, che lo stato metabolico della cellula stessa è una parte altrettanto importante, e modificabile, dell’equazione.”

Il loro lavoro ha rivelato che il metabolismo gioca un ruolo chiave. Le cellule coltivate in laboratorio sono esposte a condizioni ricche di nutrienti che differiscono significativamente da quelle presenti all’interno del corpo umano. Quando il team ha coltivato le cellule in un mezzo che assomiglia maggiormente al plasma sanguigno umano, l’assorbimento di LNP è diminuito drasticamente del 50-80%.

Ulteriori analisi hanno dimostrato che diverse vie metaboliche legate agli amminoacidi risultavano meno attive in queste condizioni più realistiche. Ciò suggerisce che le cellule del corpo operano con una minore disponibilità di nutrienti, il che limita la loro capacità di assorbire le nanoparticelle.

Una soluzione semplice con effetti potenti

Per ovviare a questa limitazione, i ricercatori hanno sviluppato un integratore mirato contenente metionina, arginina e serina. Quando questa miscela è stata somministrata insieme alle LNP, i risultati sono stati sorprendenti. La produzione di proteine ​​a partire dall’mRNA somministrato è aumentata da 5 a 20 volte in diversi tipi di cellule, sia in esperimenti di laboratorio che in animali vivi.

Il miglioramento si è confermato con diverse modalità di somministrazione (intramuscolare, intratracheale e endovenosa) e ha funzionato indipendentemente dalla specifica progettazione delle nanoparticelle o dal materiale genetico somministrato. Ulteriori studi hanno dimostrato che gli amminoacidi potenziano un percorso cellulare che consente alle nanoparticelle di entrare nelle cellule in modo più efficiente.

Notevoli progressi negli studi sugli animali

Il team ha testato l’approccio su modelli di malattia utilizzando sia terapie a mRNA che la modifica genetica CRISPR.

In un modello murino di insufficienza epatica acuta indotta da paracetamolo – la principale causa di insufficienza epatica indotta da farmaci nei pazienti umani – i topi trattati con mRNA dell’ormone della crescita veicolato da nanoparticelle lipidiche (LNP) hanno mostrato un tasso di sopravvivenza di appena il 33%. Quando lo stesso trattamento è stato combinato con l’integratore di aminoacidi, la sopravvivenza è salita al 100%. I livelli della proteina terapeutica sono aumentati di quasi nove volte, mentre gli indicatori di danno epatico e infiammazione sono scesi a livelli quasi normali.

In un altro esperimento, i ricercatori hanno somministrato componenti di CRISPR-Cas9 ai polmoni dei topi. Senza l’integratore, l’efficienza della modifica genetica variava dal 20 al 30%. Con la miscela di amminoacidi, l’efficienza è salita tra l’85 e il 90% dopo una singola dose. Questo livello di miglioramento potrebbe essere particolarmente importante per patologie come la fibrosi cistica, dove una correzione genetica efficace nel tessuto polmonare è essenziale.

Un percorso pratico verso l’uso clinico

Uno degli aspetti più promettenti di questa scoperta è la sua potenziale facilità di applicazione in trattamenti concreti. L’integratore utilizza aminoacidi già prodotti su larga scala e considerati sicuri. A differenza di altre strategie che richiedono la modifica delle nanoparticelle o la manipolazione genetica delle cellule, questo approccio potrebbe essere semplicemente integrato nelle formulazioni esistenti.

Concentrandosi sulla biologia della cellula anziché riprogettare il sistema di somministrazione, i ricercatori potrebbero aver trovato un modo pratico per sfruttare appieno il potenziale delle terapie a mRNA e delle tecnologie di editing genetico.