Недавнее исследование, проведенное группой ученых, привело к разработке инновационного биомедицинского инструмента, предназначенного для доставки генетического материала с целью редактирования дефектных генов в клетках мозга плода. Данная технология, успешно протестированная на мышах, открывает новые перспективы в области лечения генетических нарушений, таких как синдромы Ангельмана и Ретта, еще до рождения ребенка.
Методы и материалы
Для доставки мРНК Cas9 используются липидные наночастицы (ЛНЧ). Этот подход позволяет эффективно редактировать гены в развивающихся нейронах. Предполагается, что данная методика может стать основой для пренатального лечения генетических нарушений, предотвращая развитие тяжелых симптомов после рождения.
Результаты и обсуждение
Новое исследование демонстрирует возможность успешной доставки генетического материала для редактирования дефектных генов в развивающиеся клетки мозга плода. Технология, протестированная на мышах, показала потенциал в остановке прогрессирования генетически обусловленных нарушений нервного развития, таких как синдром Ангельмана и синдром Ретта.
Старший автор исследования, Айджун Ван, профессор хирургии и биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis), отмечает: «Последствия этого инструмента для лечения нарушений нервно-психического развития огромны. Мы потенциально можем исправить генетические аномалии на фундаментальном уровне в критические периоды развития мозга».
Исследование, опубликованное в ACS Nano, было проведено в результате сотрудничества Лаборатории Ванга и Лаборатории Мерти в Калифорнийском университете в Беркли. Команда надеется разработать эту технологию для лечения генетических заболеваний, диагностируемых во время пренатального тестирования, чтобы избежать дальнейшего повреждения клеток по мере их развития.
Транспортные системы и белки
Белки играют ключевую роль в функционировании организма. При определенных генетических состояниях гены могут экспрессировать больше или меньше белка, что приводит к дисфункции. Ученые нашли способ доставки информационной РНК (мРНК) в клетки, которые будут транслироваться в функциональные белки. Для этого используется уникальная формула липидных наночастиц (ЛНП), переносящих мРНК.
Липидные наночастицы и их доставка
В недавней статье в Nature Nanotechnology Ванг, Мурти и их команда описали новую формулу ЛНП для безопасной и эффективной доставки мРНК. ЛНЧ, несущие мРНК, должны быть поглощены клетками через процесс эндоцитоза. Там клетка разрывает носитель ЛНП, высвобождая груз мРНК.
Найрен Мурти, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли и соавтор проекта, отмечает: «В ЛНЧ, разработанных в этом исследовании, используется новый кислоторазлагаемый линкер, позволяющий ЛНЧ быстро разлагаться внутри клеток. Новый линкер также снижает токсичность ЛНЧ».
Эффективность и токсичность
Эффективность доставки мРНК тесно связана с ее токсичностью. Низкая эффективность поглощения требует использования большого количества наночастиц, что может вызвать токсический иммунный ответ.
Айджун Ван подчеркивает: «Самым большим препятствием для доставки мРНК в центральную нервную систему до сих пор была токсичность, приводящая к воспалению».
Исследование показало, что метод LNP более эффективен при трансляции мРНК, снижая потребность в токсичных дозах.
Доставка мРНК Cas9
Новое исследование описывает использование технологии LNP для доставки мРНК Cas9 в центральную нервную систему плода для лечения генетических заболеваний внутриутробно. Исследователи протестировали свой инструмент на гене, ответственном за синдром Ангельмана, редкое заболевание нервной системы.
При генетическом состоянии повреждения накапливаются во время беременности и вскоре после рождения. Исследования показывают, что более эффективно доставлять терапию к клеткам головного мозга до формирования гематоэнцефалического барьера у младенцев. Поэтому коррекция на ранних стадиях наиболее эффективна.
Экспериментальная часть
Исследователи вводили ЛНП с мРНК в желудочки мозга плода на мышиной модели. мРНК транслировалась в CAS9, белок-ножницы, редактирующий гены. Созданный CAS9 редактировал ген, ответственный за синдром Ангельмана.
Айджун Ван объясняет: «МРНК подобна инструкции по сборке Lego, где есть инструкции по соединению частей для формирования функциональных белков. Сама ячейка имеет все необходимое для построения CAS9. Нам просто нужно предоставить последовательность мРНК, а клетка возьмет и транслирует ее в белки».
Выводы
Исследование показало высокую эффективность инструмента LNP в доставке мРНК, транслируемой в CAS 9.
Используя трассеры, ученые увидели все нейроны, отредактированные внутри мозга. Исследование показало, что наночастицы поглощались развивающимися нервными стволовыми клетками и клетками-предшественниками мозга. Наночастицы приводили к редактированию генов в 30% стволовых клеток мозга мышиной модели.
Айджун Ван отмечает: «Трансфекция 30% всего мозга, особенно стволовых клеток, — это большое дело. Эти клетки мигрируют и распространяются во многие места мозга по мере дальнейшего развития плода».
По мере развития плода стволовые клетки пролиферировали и мигрировали, формируя центральную нервную систему. Исследование показало, что более 60% нейронов гиппокампа и 40% нейронов коры были трансфицированы.
Айджун Ван заключает: «Это очень многообещающий метод лечения генетических заболеваний, влияющих на центральную нервную систему. Когда дети рождаются, многие нейроны можно было бы исправить. Это означает, что ребенок может родиться без каких-либо симптомов».
Айджун Ван ожидает увидеть еще более высокий процент трансфицированных клеток в модели больных мышей.
«Плохие нейроны с мутацией могут погибнуть из-за накопления симптомов заболевания, а хорошие нейроны могут остаться и размножиться. Это может привести к усилению терапевтической эффективности. Если мы достаточно хорошо знаем, как работают клетки, мы сможем использовать эти знания для взаимодействия с естественными путями в клетке», — говорит он.
Литература.
“Widespread Gene Editing in the Brain via In Utero Delivery of mRNA Using Acid-Degradable Lipid Nanoparticles” by Aijun Wang et al. ACS Nano
