Группа исследователей из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) обошла эти ограничения, используя комбинацию ионной жидкости (ИЖ) для успешной доставки лечения на основе малой интерферирующей РНК (миРНК) непосредственно на кожу в модели псориаза у мышей, что значительно снижает уровни воспалительных цитокинов и симптомов псориаза без системных побочных эффектов. Исследование опубликовано сегодня в Science Advances.
«По сравнению с другими технологиями, которые продемонстрировали доставку нуклеиновых кислот в кожу, наша платформа IL предлагает уникальные возможности с точки зрения настраиваемости, отличного профиля безопасности и экономичного масштабирования», – сказал первый автор Абхируп Мандал, доктор философии.D., бывший научный сотрудник Института Висса и SEAS, а теперь старший научный сотрудник CAGE Bio. «Мы думаем, что эффективная местная доставка макромолекул произведет революцию в методах лечения таких изнурительных дерматологических заболеваний, как псориаз."
Запуск моделирования для прогнозирования реального успеха
Синтетические миРНК представляют собой некодирующие двухцепочечные молекулы РНК, которые обычно используются в биологических исследованиях для «замалчивания» целевого гена путем разрушения транскриптов РНК гена.
Эта способность также делает их очень привлекательными кандидатами для лечения болезней и расстройств без изменения ДНК в клетках пациента. Однако их использование в медицине затруднено, поскольку РНК представляют собой большие гидрофильные молекулы, и поэтому им трудно пересекать гидрофобные мембраны клеток.
Команда из Института Висса и SEAS решила эту проблему, используя недавно открытый класс материалов, называемых ионными жидкостями (ИЖ), которые по сути представляют собой соли, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре. Основываясь на более ранних исследованиях взаимодействия ИЖ с липидами, исследователи предположили, что ИЛ могут стабилизировать миРНК и улучшить их проникновение через липидные клеточные мембраны, что позволяет локализовать молчание генов.
Команда сначала создала библиотеку различных ИЖ, затем проверила их комбинации, чтобы увидеть, какие физические и химические свойства они искали. Они остановились на смеси двух – CAGE (холина и гераниевой кислоты) и CAPA (холина и фенилпропановой кислоты), которые помогли связанным молекулам siRNA сохранить свою структурную целостность и привели к увеличению проникновения siRNA в кожу свиньи in vitro.
Когда они наносили смесь CAGE + CAPA в виде густой жидкости для местного применения на кожу живых мышей, они не наблюдали воспаления или раздражения, что указывает на то, что она не токсична.
Поскольку ИЖ – довольно новый материал, прогнозировать их взаимодействие с грузами, которые они предназначены для доставки, сложно. Исследователи сотрудничали с соавтором Чарльзом Рейли, доктором философии.D., Старший научный сотрудник платформы Bioinspired Therapeutics & Diagnostics в Институте Висса для выполнения моделирования молекулярной динамики для моделирования и понимания того, как раствор CAGE + CAPA будет взаимодействовать с миРНК и клеточными мембранами на молекулярном уровне.
Наблюдения, полученные в результате моделирования, показали, что этот комплекс ИЛ-миРНК обладает превосходной стабильностью из-за сильного химического взаимодействия входящих в его состав ионов с парами оснований РНК. Модель также предположила, что это привело к более высокому проникновению через клеточные мембраны, потому что ионы в IL были способны плотно упаковываться вместе, образуя агрегаты, которые увеличивали способность комплекса разрушать мембрану и допускать проникновение siRNA.
Разрушая барьеры
Вооружившись эффективным средством доставки, команда затем соединила его со специальной siRNA, предназначенной для подавления гена под названием NFKBIZ, который участвует в активации ряда воспалительных молекул, участвующих в псориазе. Они наносили смесь CAGE + CAPA вместе с миРНК на кожу мышей с псориазоподобным состоянием в течение четырех дней, затем сравнивали этих мышей с другими, которые получали CAGE + CAPA с контрольной миРНК, только CAGE + CAPA или без лечение.
У мышей, которым вводили siRNA NFKBIZ, наблюдалось уменьшение утолщения эпидермиса, обесцвечивания кожи и избыточного роста кератина по сравнению с другими экспериментальными группами, а также меньшее покраснение и шелушение.
Они также продемонстрировали значительное снижение экспрессии NFKBIZ и других продуктов генов, связанных с псориазом, в клетках их кожи, что впервые продемонстрировало, что комплексы IL-siRNA могут вызывать терапевтический эффект как на молекулярном, так и на макроскопическом уровнях путем подавления целевого гена в vivo после местного применения.
«Кремы для местного применения использовались для лечения кожных заболеваний на протяжении сотен лет, но кожа является очень эффективным барьером против большинства веществ, что ограничивает их эффективность. Возможность преодолеть этот барьер для доставки терапевтических нуклеиновых кислот непосредственно в клетки кожи – огромное достижение в поисках целенаправленных эффективных терапевтических средств », – сказал автор-корреспондент Самир Митраготри, доктор философии.D., который является основным преподавателем Института Висса, профессором биоинженерии Хиллера и профессором биологической инженерии Хансйоргом Виссом в SEAS.
Эту платформу доставки на основе ИЛ можно легко масштабировать и настраивать для взаимодействия с различными терапевтическими молекулами, включая ДНК и антитела.
Он также может расширить возможности трансдермальной доставки лекарств для лечения других дерматологических состояний кожи, включая экзему, и улучшить долгосрочную эффективность лечения за счет воздействия на гены, которые опосредуют множественные пути заболевания.
Основываясь на обнадеживающих результатах этого исследования, лаборатория Митраготри начинает новое сотрудничество с исследователями из различных учреждений, уделяя особое внимание пониманию местных и системных механизмов, связанных с аутоиммунными и воспалительными заболеваниями кожи.
"Многие инновации, которые биологи использовали в исследованиях в течение многих лет, обладают значительным клиническим потенциалом, но большинство из них не реализовано из-за фундаментальных ограничивающих факторов, таких как, в данном случае, барьер, создаваемый кожей.
Это творческое решение этой проблемы доставки лекарств открывает большие перспективы для создания нового класса эффективных методов лечения, которые давно назрела ", – сказал директор-основатель Института Висса и соавтор статьи Дональд Ингбер, штат Массачусетс.D., Ph.D., который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и детской больнице Бостона и профессором биоинженерии в SEAS.
Дополнительными авторами статьи являются Нинад Кумбхойкар и Анвай Укидве из Института Висса и SEAS, а также Вимиша Дхарамдасани, ранее работавший в Институте Висса и SEAS, а в настоящее время работающий в Кембриджском университете.
Это исследование было поддержано Фондом Лео и Институтом биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.