Forscher berichten über die Entschlüsselung der Immunerkennung von Nukleinsäure-Nanopartikeln

Anonim

Ein umfangreiches Experiment, das die Immuneffekte einer breiten Gruppe von laborgefertigten Nukleinsäure-Nanopartikeln untersuchte, fand keine starke, einheitliche Immunantwort, wie vorhergesagt. Stattdessen fanden die Tests variierende und spezifische Reaktionen von verschiedenen Immunzellen, abhängig von der Form und der Formulierung jedes Partikels, ein Befund, der weitere Untersuchungen über den therapeutischen Nutzen der Partikel anregen könnte.

Darüber hinaus glauben die Forscher, dass sie möglicherweise ein "Hilfssystem" zur Steuerung der Immunantwort entdeckt haben - ein molekulares "Alphabet" für die Kommunikation mit dem menschlichen Immunsystem.

Die Ergebnisse wurden kürzlich von Enping Hong, Ankit Shah und Marina Dobrovolskaia vom Frederick Laboratory for Cancer Research, Emil Khisamutdinov von der Ball State University und Justin Halman und Kirill Afonin von der University of North Carolina in Charlotte in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht .

Die Idee besteht seit einiger Zeit darin, ausgewählte RNA- oder DNA-Abschnitte therapeutisch-therapeutischer Nukleinsäuren zu verwenden, um das Gen oder die Zellfunktion zu beeinflussen. Leider haben sich in klinischen Studien die meisten dieser vorgeschlagenen therapeutischen Moleküle als extremer Nebeneffekt erwiesen - sie haben eine starke, oft fatale Reaktion der Immunzellen des menschlichen Körpers ausgelöst.

In jüngerer Zeit haben Nanotechnologen vorgeschlagen, selbstorganisierende Nanopartikel mit den potentiell therapeutischen RNA- oder DNA-Sequenzen zu entwerfen, die die Wirkungen mehrerer Sequenzen zu einem Zielarzneimittel kombinieren und mehrere Effekte in einem einzelnen Partikel in Form von Quadraten, Dreiecken und Würfeln erzeugen und andere Strukturen. Diese potentiell leistungsstarken therapeutischen Partikel wurden jedoch nur langsam getestet, da die Forscher die Theorie aufgestellt haben, dass sie wahrscheinlich die gleichen "immunotoxischen" Wirkungen wie die natürlichen Nukleinsäurefragmente haben.

Einige Nanowissenschaftler stellten jedoch die Frage, ob die projizierten Immunreaktionen aufgrund der Komplexitäten der Erkennung des Immunsystems und der einzigartigen Eigenschaften, die durch das Zusammensetzen herkömmlicher Materialien zu Nanopartikeln verschiedener Formen und Strukturen entstehen, notwendigerweise der Fall sein würden.

"Selbst wenn Nucleinsäure-Nanopartikel aus Komponenten mit bekannten immunologischen Toxizitäten bestehen, wird die Nanoformulierung, wenn man sie einmal kombiniert und neu formulieren kann, ein völlig anderes Biest", sagte Afonin, einer der Autoren des Papiers.

"Unsere Ergebnisse zeigten, dass, während einige der Vorhersagen richtig waren, viele völlig falsch waren", bemerkte Afonin. "Man kann die Immunotoxizität von Nukleinsäure-Nanopartikeln nicht allein durch die Analyse der Reaktionen auf natürlich produzierte DNAs und RNAs vorhersagen. Wir haben einige unerwartete Ergebnisse erhalten."

Um die Immunotoxizität der Partikel zu testen und möglicherweise Hinweise auf die Mechanismen der Immunantwort zu finden, wählten Afonin und seine Kollegen eine "Bibliothek" von 25 verschiedenen DNA- oder RNA-Nucleinsäure-Nanopartikeln, die von Forschern sorgfältig ausgewählt wurden alle möglichen Verbindungen "zwischen ihren molekularen Eigenschaften und Immunreaktionen. Die Bibliothek umfasste eine repräsentative Auswahl von planaren (flachen), globulären und faserigen (strangähnlichen) Partikeln mit unterschiedlichen Größen und Molekulargewichten sowie unterschiedlichen kritischen chemischen Eigenschaften. Die Partikel wurden in Immunzellen (periphere mononukleäre Blutzellen) aus dem Blut von 60 einzigartigen menschlichen Spendern eingeführt und auf die Produktion von 29 verschiedenen Zytokinen überwacht.

Die Details der Befunde waren hinsichtlich der Immunotoxizität der Partikel aufschlussreich, da die Immunantwort variierte. Die Ergebnisse enthüllten aber auch Informationen über das spezifische Verhalten verschiedener Immunzellen.

Ein fundamentaler Befund war, dass "nackte" Nucleinsäure-Nanopartikel (die nicht mit anderen biologischen Molekülen verbunden waren) überhaupt keine Immunantwort hervorriefen - weil das Team, im Gegensatz zu natürlich vorkommenden DNA- oder RNA-Fragmenten, keine Immunzellen eindringen konnte eine Art "Träger" -Moleküle, die ihren Eintritt erlaubten. Effektiv sind reine Nucleinsäure-Nanopartikel für das menschliche Immunsystem "unsichtbar".

Sobald die Partikel jedoch mit einem Trägermolekül gepaart wurden, konnten sie in die Zellen eindringen und, wie die Forscher hofften, deutliche Reaktionen hervorrufen. "Die Frage ist, wenn wir dieses Teilchen in die menschliche Zelle schicken, was macht die Zelle, besonders die Immunzelle?" Afonin fragte sich. "Sieht es eine bestimmte Form als Bedrohung?"

Die Ergebnisse zeigen, dass Partikelgröße, Form, 3-D-Struktur (z. B. Würfel im Vergleich zu planaren Quadraten), DNA- oder RNA-Zusammensetzung und die chemische Natur der Zusammensetzung der Partikel ("Konnektivität") unterschiedliche Auswirkungen hatten Immunantwort und auf die Immunzellen reagierten.

Unter den aufgedeckten Details war der Befund, dass Partikel, die aus DNA bestanden, dazu tendierten, eine geringere Immunantwort zu verursachen als RNA. RNA-Ringe (flache Strukturen) und RNA-Fasern verursachten eine geringere Immunantwort als RNA-Würfel (globuläre Strukturen). Genauer gesagt induzierten DNA-Würfel die Zytokinproduktion der Typ-I-Interferone alpha und omega, aber nur RNA-Würfel konnten Interferon-beta oder Interferon-Lambda vom Typ I induzieren. Die verschiedenen produzierten Cytokine zeigten an, dass die Unterschiede in den Partikeln eine selektive Wirkung auf diesen Typ der betroffenen Immunzellen hatten.

Während die Ergebnisse wissenschaftlich wichtig sind, betonen die Forscher, dass die neuen Informationen Auswirkungen auf zukünftige praktische Anwendungen haben.

"Unsere Ergebnisse heben die Schlüsselparameter hervor, die die Art und Weise beeinflussen, wie Nukleinsäure-Nanopartikel mit dem Immunsystem interagieren", heißt es in dem Papier. "Diese neuen Erkenntnisse verbessern das derzeitige Verständnis der immunstimulierenden Eigenschaften von Nucleinsäure-Nanopartikeln und ebnen den Weg für die Entwicklung einer neuen molekularen Hilfssprache, die durch das Skript von rational entworfenen Nucleinsäure-Nanopartikeln ausgedrückt werden kann."

"Wir haben ein Alphabet, um direkt mit dem Immunsystem zu kommunizieren", sagte Afonin. "Jetzt müssen wir die Syntax dieser neuen Sprache herausfinden, wie man diese Buchstaben zu den Wörtern zusammenfügt, Sätze zusammenfügt, sie zu den Absätzen zusammenfügt und schließlich wie man eine Geschichte schreibt. Aber jetzt haben wir ein Alphabet. Es ist nur der Anfang, aber ich denke, das ist eine grundlegende Arbeit. "

Afonin weist darauf hin, dass ein "Alphabet", das die Immunantwort auf spezifische Partikelentwürfe beschreibt, natürlich nützlich sein kann, um unerwünschte Reaktionen zu vermeiden, aber mehr Potenzial für Situationen bietet, in denen eine Reaktion tatsächlich erwünscht ist (z. B. bei Impfstoffen) Mehr Möglichkeiten, wenn die Behandlung spezifische Botschaften erfordert, um eine sehr spezifische Immunantwort auszulösen.

"Wenn Sie ein Medikament abgeben müssen, möchten Sie vielleicht, dass der Träger nicht immunogen ist. Wir können Ihnen genau sagen, welches Partikel Sie dafür verwenden können", sagte er. "Aber wenn Sie die Immunantwort stimulieren wollen, zum Beispiel um das Immunsystem gegen Krebs zu aktivieren … dann können Sie bestimmte Partikel verwenden, die die Immunantwort aktivieren, aber Entzündungen vermeiden. Wir können zwar Interferone, aber keine inflammatorischen Zytokine produzieren, z Beispiel.

"Das ist wie Scharfschießen", erklärte er. "Sie werden für ein bestimmtes Zytokin schießen, ohne andere zu berühren. Das ist wie ein Brief oder ein Wort, wie eine SMS, die wir an das Immunsystem senden. Das Immunsystem wird Ihre Nachricht lesen und mit dem Interferon zurückschreiben."

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