As nanopartículas lipídicas (LNPs) são conhecidas pelo seu papel na distribuição de vacinas de mRNA contra a COVID-19 a milhares de milhões de pessoas. Agora, os cientistas estão a expandir a sua utilização para além das vacinas. Os pesquisadores estão trabalhando para usar esses minúsculos transportadores para fornecer mRNA terapêutico às células para tratar câncer, doenças inflamatórias e até mesmo projetar sistemas CRISPR para reparar mutações genéticas prejudiciais.
No entanto, o progresso abrandou devido aos desafios constantes. Para que os LNPs funcionem no corpo, eles devem se fundir com as membranas celulares e liberar seu conteúdo. Embora este processo funcione em experiências de laboratório, é muito menos eficaz em condições biológicas reais.
Cientistas descobrem uma solução simples de aminoácidos
Uma equipe de pesquisa da Biohub descobriu uma maneira inesperadamente simples de melhorar esse processo. Num estudo publicado em Medicina Translacional CientíficaPesquisadores liderados por Daniel Zongjie Wang, Ph.D., e Shana O. Kelley, Ph.D., mostraram que a adição de três aminoácidos comuns (metionina, arginina e serina) ao lado dos LNPs pode melhorar significativamente o desempenho. A combinação aumentou a entrega de mRNA em 20 vezes após uma dose única e aumentou a eficiência de edição do gene CRISPR de cerca de 25% para quase 90%.
“A edição genética e as terapias baseadas em mRNA desempenharão um papel cada vez mais importante no futuro da medicina, mas exigem que os LNPs alcancem e entrem nas células”, disse Kelley, presidente da Biohub Bioengineering e chefe da Biohub Chicago. Os cientistas estão decifrando o processo inflamatório que causa uma variedade de doenças. “Qualquer formulação de LNP atualmente em desenvolvimento pode se beneficiar de nossa abordagem.”
A descoberta decorre da estratégia mais ampla da equipe de estudar a biologia sob condições que refletem mais de perto o corpo humano. “É exatamente por isso que estamos aqui”, disse Wang, que lidera o grupo de ômicas espaço-temporais do Biohub. “Ao perguntar por que os LNPs se comportam de maneira tão diferente no ambiente fisiológico do corpo, descobrimos uma resposta surpreendentemente simples que poderia tornar mais eficazes várias terapias de mRNA e de edição genética”.
barreira metabólica intracelular
Até o momento, a maioria dos esforços para melhorar o desempenho dos LNPs concentrou-se no redesenho das próprias nanopartículas. Os cientistas testaram centenas de novas combinações lipídicas e usaram inteligência artificial para explorar inúmeras formulações. Apesar desses esforços, os resultados clínicos permanecem insatisfatórios.
Os pesquisadores do Biohub adotaram uma abordagem diferente. Em vez de modificar o sistema de entrega, investigaram se as próprias células limitavam a absorção. Eles exploraram se era possível promover mais prontamente a captação de LNP pelas células.
“A área gastou muito esforço projetando nanopartículas”, disse Wang. “No entanto, descobrimos que o próprio estado metabólico da célula é uma parte igualmente importante e solucionável da equação.”
O seu trabalho mostra que o metabolismo desempenha um papel fundamental. As condições ricas em nutrientes às quais as células cultivadas em laboratório padrão são expostas diferem significativamente daquelas encontradas no corpo humano. Quando a equipe cultivou as células em um meio que se assemelhava mais ao plasma humano, a absorção de LNP caiu drasticamente em 50 a 80 por cento.
Análises mais aprofundadas revelaram que algumas vias metabólicas relacionadas com aminoácidos eram menos activas nestas condições mais realistas. Isto sugere que as células do corpo têm menos nutrientes disponíveis, o que limita a sua capacidade de absorver as nanopartículas.
Correções simples com efeitos poderosos
Para resolver esta limitação, os investigadores desenvolveram um suplemento específico contendo metionina, arginina e serina. Quando esta mistura foi feita com LNP, os resultados foram surpreendentes. Em experiências de laboratório e em animais vivos, o ARNm entregue produz aumentos de 5 a 20 vezes na proteína numa variedade de tipos de células.
A melhoria funciona em diferentes métodos de entrega – intramuscular, intratraqueal e intravenosa – e funciona independentemente do desenho específico da nanopartícula ou do material genético que está sendo entregue. Outros estudos mostraram que os aminoácidos melhoram as vias celulares, permitindo que as nanopartículas entrem nas células de forma mais eficiente.
Enormes avanços na pesquisa animal
A equipe testou a abordagem em modelos de doenças usando terapêutica de mRNA e edição de genes CRISPR.
Num modelo de rato com insuficiência hepática aguda induzida por paracetamol, a principal causa de insuficiência hepática induzida por fármacos em pacientes humanos, os ratos tratados apenas com ARNm da hormona de crescimento entregue por LNP tiveram uma taxa de sobrevivência de apenas 33%. Quando o mesmo tratamento foi combinado com suplementos de aminoácidos, as taxas de sobrevivência aumentaram para 100%. Os níveis da proteína terapêutica aumentaram quase nove vezes, enquanto os marcadores de danos e inflamação no fígado caíram para níveis quase normais.
Em outro experimento, os pesquisadores entregaram componentes CRISPR-Cas9 aos pulmões de camundongos. Sem suplementos, a eficiência da edição genética fica entre 20% e 30%. Com a mistura de aminoácidos, a eficiência sobe para 85% a 90% após uma dose única. Este grau de melhoria é particularmente importante em doenças como a fibrose cística, onde a correção genética eficiente no tecido pulmonar é crítica.
Abordagens práticas para aplicação clínica
Um dos aspectos mais promissores desta descoberta é que ela poderia ser facilmente aplicada a tratamentos do mundo real. Este suplemento utiliza aminoácidos já produzidos em massa e considerados seguros. Ao contrário de outras estratégias que requerem alterações nas nanopartículas ou células geneticamente modificadas, esta abordagem pode simplesmente ser adicionada a uma receita existente.
Ao concentrarem-se na biologia celular em vez de redesenhar os sistemas de entrega, os investigadores podem ter encontrado uma forma prática de desbloquear todo o potencial da terapêutica do mRNA e da tecnologia de edição genética.
