Gli ingegneri del MIT e della University of Massachusetts Medical School hanno progettato un nuovo tipo di nanoparticella che può essere somministrata ai polmoni, dove può veicolare RNA messaggero che codifica proteine utili. Secondo i ricercatori, con un ulteriore sviluppo, queste particelle potrebbero offrire un trattamento inalabile per la fibrosi cistica e altre malattie polmonari. “Questa è la prima dimostrazione di una consegna altamente efficiente di RNA ai polmoni nei topi. Speriamo che possa essere utilizzato per trattare o riparare una serie di malattie genetiche, tra cui la fibrosi cistica”, afferma Daniel Anderson, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research e dell’Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT. In uno studio sui topi, Anderson e i suoi colleghi hanno utilizzato le particelle per veicolare l’mRNA che codifica il macchinario necessario per l’editing genico CRISPR/Cas9. Questo potrebbe aprire la strada alla progettazione di nanoparticelle terapeutiche in grado di tagliare e sostituire i geni che causano malattie.
Puntare sui polmoni
L’RNA messaggero ha un grande potenziale terapeutico per il trattamento di una serie di malattie causate da geni difettosi. Un ostacolo alla sua diffusione è stato finora la difficoltà di distribuirlo nella parte giusta del corpo, senza effetti fuori bersaglio. Le nanoparticelle iniettate spesso si accumulano nel fegato, per cui sono in corso diversi studi clinici che valutano potenziali trattamenti a base di mRNA per le malattie del fegato. Anche i vaccini COVID-19 a base di RNA, iniettati direttamente nel tessuto muscolare, si sono dimostrati efficaci. In molti di questi casi, l’mRNA è incapsulato in una nanoparticella lipidica, una sfera grassa che protegge l’mRNA dalla rottura prematura e lo aiuta a entrare nelle cellule bersaglio. Diversi anni fa, il laboratorio di Anderson ha cercato di progettare particelle in grado di trasferire meglio le cellule epiteliali che costituiscono la maggior parte del rivestimento dei polmoni. Nel 2019, il suo laboratorio ha creato nanoparticelle in grado di trasportare l’mRNA che codifica una proteina bioluminescente alle cellule polmonari. Queste particelle erano fatte di polimeri invece che di lipidi, il che le rendeva più facili da aerosolizzare per l’inalazione nei polmoni. Tuttavia, è necessario lavorare ulteriormente su queste particelle per aumentarne la potenza e massimizzarne l’utilità. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno cercato di sviluppare nanoparticelle lipidiche in grado di colpire i polmoni. Le particelle sono costituite da molecole che contengono due parti: un gruppo di testa con carica positiva e una lunga coda lipidica. La carica positiva del gruppo di testa aiuta le particelle a interagire con l’mRNA caricato negativamente e aiuta l’mRNA a sfuggire dalle strutture cellulari che inglobano le particelle una volta entrate nelle cellule.
La struttura della coda lipidica, invece, aiuta le particelle a passare attraverso la membrana cellulare. I ricercatori hanno individuato 10 diverse strutture chimiche per le code lipidiche e 72 diversi gruppi di testa. Esaminando diverse combinazioni di queste strutture nei topi, i ricercatori sono riusciti a identificare quelle che avevano maggiori probabilità di raggiungere i polmoni.
Consegna efficiente
In ulteriori test sui topi, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare le particelle per trasportare nelle cellule polmonari degli animali l’mRNA che codifica i componenti CRISPR/Cas9 progettati per eliminare un segnale di stop geneticamente codificato. Quando il segnale di stop viene rimosso, si attiva un gene per una proteina fluorescente. La misurazione di questo segnale fluorescente consente ai ricercatori di determinare la percentuale di cellule che hanno espresso con successo l’mRNA. Dopo una dose di mRNA, i ricercatori hanno scoperto che circa il 40% delle cellule epiteliali polmonari era stato trasfettato. La trasfezione è il processo di introduzione di materiale biologico esogeno in cellule eucariotiche, nella gran parte dei casi di mammifero. È più frequente l’inserimento di materiale genetico, tra cui solitamente DNA e siRNA, ma, in generale, possono essere trasfettate anche proteine (come ad esempio anticorpi). Due dosi hanno portato il livello a più del 50% e tre dosi al 60%. I bersagli più importanti per il trattamento delle malattie polmonari sono due tipi di cellule epiteliali, chiamate cellule club e cellule ciliate, e ognuna di queste è stata trasfettata per circa il 15%. “Questo significa che le cellule che siamo riusciti a modificare sono davvero le cellule di interesse per le malattie polmonari”, spiega Li. “Questo lipide può permetterci di trasportare l’mRNA nel polmone in modo molto più efficiente rispetto a qualsiasi altro sistema di trasporto finora descritto”.
Inoltre, le nuove particelle si disgregano rapidamente, consentendo di essere eliminate dal polmone in pochi giorni e riducendo il rischio di infiammazione. Le particelle possono anche essere somministrate più volte allo stesso paziente se sono necessarie dosi ripetute. Ciò conferisce loro un vantaggio rispetto a un altro approccio alla somministrazione di mRNA, che utilizza una versione modificata di innocui adenovirus. Questi virus sono molto efficaci nel veicolare l’RNA, ma non possono essere somministrati ripetutamente perché inducono una risposta immunitaria nell’ospite. Per somministrare le particelle in questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato instillazione intratracheale, che viene spesso utilizzato come metodo per modellare la somministrazione di farmaci ai polmoni. Ora stanno lavorando per rendere le nanoparticelle più stabili, in modo da poterle aerosolizzare e inalare con un nebulizzatore. I ricercatori intendono inoltre testare le particelle per veicolare l’mRNA che potrebbe correggere la mutazione genetica trovata nel gene che causa la fibrosi cistica, in un modello murino della malattia.
