חלקיקי ליפידים (LNPs) הם כלי המשלוח של הרפואה המודרנית, הנושאים תרופות לסרטן, טיפולים גנטיים וחיסונים לתאים. עד לאחרונה, מדענים רבים הניחו שכל ה-LNP פעלו פחות או יותר על פי אותה תוכנית, כמו צי משאיות שנבנה מאותו עיצוב.
עכשיו, ב טבע ביוטכנולוגיהחוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה, Brookhaven National Laboratory ו-Waters Corporation אפיינו את הצורה והמבנה של LNPs בפירוט חסר תקדים, וחשפו כי החלקיקים מגיעים במגוון מפתיע של תצורות. המגוון הזה אינו רק קוסמטי: כפי שמצאו החוקרים, צורתו ומבנהו הפנימיים של החלקיק מתואמים למידת הספקת מטען טיפולי ליעד מסוים.
הטיפול ב-LNPs כמו דגם אחד של מכונית עבד, כפי שמעידים מיליוני האנשים שחלקיקים אלו עזרו, אבל LNPs אינם מתאימים לכל טיפול ב-RNA. בדיוק כפי שטנדרים, טנדרים ומשאיות משא מתאימים בצורה הטובה ביותר לנסיעות שונות, כעת נוכל להתחיל להתאים את עיצובי LNP לטיפולים ולרקמות מסוימים, מה שהופך את החלקיקים הללו ליעילים אף יותר".
מייקל ג'יי מיטשל, פרופסור חבר בביו-הנדסה, פן הנדסה ומחבר בכיר שותף של המאמר
"תוצאות אלו מספקות הבנה בסיסית יותר של האופן שבו ההרכב והצורה של החלקיקים הטיפוליים הללו קשורים לביולוגיה שלהם", מוסיף קושול גופטה, עוזר מחקר בביוכימיה וביופיזיקה בבית הספר לרפואה של פרלמן של פן ומחבר בכיר אחר של המאמר. "החלקיקים האלה כבר הוכיחו את עצמם במרפאה, ותובנות אלה יהפכו אותם לחזקים עוד יותר בכך שיעזרו לנו להתאים את המשלוח למחלות ספציפיות מהר יותר".
מאיר את הקופסה השחורה
בשנים האחרונות, מעבדת מיטשל, בין היתר, גילתה שלניסוחים שונים של LNP יש השפעות ביולוגיות שונות. הוספת קבוצות פנולים, למשל, מפחיתה את הדלקת, בעוד שומנים מסועפים הניתנים למינון משפרים את הלידה.
"זה כמעט כמו פיתוח מתכונים", אומר מרשל פדילה, פוסט-דוקטורנט בתחום הביו-הנדסה והמחבר הראשון של המאמר החדש. "ידענו שמרכיבים וטכניקות שונות משנים את התוצאות."
אבל ההבנה מדוע שינויים כימיים מסוימים מובילים להשפעות ביולוגיות מסוימות הוכיחה את עצמה כמאתגרת. "החלקיקים האלה הם משהו כמו 'קופסה שחורה'", מוסיף פדילה. "היינו צריכים לפתח ניסוחים חדשים בעיקר על ידי ניסוי וטעייה".
הבאת LNPs לפוקוס
כדי להמחיש את החלקיקים, החוקרים השתמשו בטכניקות מרובות. מחקרים קודמים, לעומת זאת, הסתמכו בדרך כלל על שיטה אחת, כמו הקפאת החלקיקים במקום.
בגלל גודל החלקיקים – יידרש אלפי LNPs כדי להקיף שערה אנושית – עבודה קודמת גם תייגה לעתים קרובות את החלקיקים בחומרים פלואורסצנטיים ובמדידות ממוצעות, תוך סיכון של שינוי צורתם של החלקיקים ולטשטש שינויים.
"היינו צריכים לשלב טכניקות מרובות, שונות מהיסוד, שהותירו את החלקיקים שלמים בתמיסה", אומר גופטה. "כך, נוכל להיות בטוחים שההסכמה בין השיטות הראתה לנו איך החלקיקים באמת נראים".
שלוש טכניקות, מחקר אחד
החוקרים בחנו ארבעה תכשירים של LNP "בסטנדרט הזהב", כולל אלו המשמשים בחיסוני COVID-19 ו-Onpattro, טיפול המאושר על ידי ה-FDA למחלה גנטית נדירה.
טכניקת הדמיה אחת, אולטרה-צנטריפוגה אנליטית של מהירות שקיעה (SV-AUC), כללה סיבוב ה-LNPs במהירויות גבוהות כדי להפריד אותם על ידי צפיפות.
חלוקה נוספת של זרימת שדה בשילוב לפיזור אור רב-זוויתי (FFF-MALS), הפריד בעדינות את ה-LNP לפי גודל ומדד כיצד חומצת הגרעין התפזרה על פני החלקיקים השונים.
כרומטוגרפיה שלישית, אי-הכללת גודל, בשורה אחת עם פיזור קרני רנטגן בזווית קטנה של סינכרוטרון (SEC-SAXS), אפשרה לחוקרים לחקור את המבנה הפנימי של LNPs על ידי פגיעה בהם עם קרני רנטגן חזקות ב-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) במשרד המשתמש הלאומי של מעבדת המדע ב-Brookhaven.
"פעם חשבנו ש-LNP נראים כמו גולות", אומר גופטה ומסכם את התוצאות. "אבל הם למעשה דומים יותר לשעועית ג'לי, לא סדירות ומגוונות, אפילו בתוך אותה נוסחה."
כוחו של שיתוף פעולה
התוצאות לא היו ניתנות להשגה בלי להפגיש בין אקדמיה, תעשייה ומעבדה לאומית.
"פיתחנו שיטות למדידת הן את גודל ננו-חלקיקי השומנים והן את תכולת התרופות שלהם מבלי לפרק את החלקיקים", אומר מרטין קורניק, מדען ראשי טכנולוגי של Wyatt ב-Waters Corporation, שהוביל את ניסויי FFF-MALS.
"היכולות במעבדה הלאומית של ברוקהייבן אפשרו ניסוי ייחודי ששילב קרני רנטגן עם אור אולטרה סגול כדי לכמת את המאפיינים הגיאומטריים של החלקיקים", מוסיף ג'יימס ביירנס, מדען קו קרן ב-NSLS-II, שערך את ניסויי SEC-SAXS. "זה סולל את הדרך לאפיון ניסוחי חלקיקים בקנה מידה ומדגיש את הפוטנציאל המרגש לשיתופי פעולה עמוקים יותר בין מתקני סינכרוטרון ומפתחי LNP".
"כל הפרויקט הזה מדבר על הכוח של מוסדות שונים המאגדים את המשאבים והמומחיות שלהם", אומר פדילה. "הצלחנו לדמיין את החלקיקים בפירוט כזה רק כי כל אחד מבני הזוג ראה אותם מזווית אחרת".
בודקים את ההשפעות
לאחר שהחוקרים אפיינו את ניסוחי ה-LNP, הם בדקו את השפעותיהם במגוון מטרות, מתאי T אנושיים ותאי סרטן ועד למודלים של בעלי חיים.
האנה יאמאגאטה, דוקטורנטית במעבדת מיטשל, גילתה שמבנים פנימיים מסוימים של חלקיקים מתכתבים עם תוצאות משופרות, כמו הורדת מטענים או יותר משלוחים שהגיעו ליעד. "מעניין, זה השתנה בהתאם להקשר", אומר יאמאגאטה.
ניסוחים מסוימים של LNP הפגינו ביצועים טובים יותר בתאי חיסון, למשל, בעוד שאחרים הראו עוצמה רבה יותר במודלים של בעלי חיים. "המודל הנכון של LNP תלוי ביעד", מוסיף יאמאגאטה.
ערבוב את המנה הנכונה
החוקרים גם שמו לב שבהתאם לשיטה שבה השתמשו להכנת ה-LNP, מאפיינים – ועוצמתם – של החלקיקים השתנו.
מכשירים מיקרופלואידיים, שדוחפים מרכיבים דרך צינורות קטנים, הובילו לצורות וגדלים עקביים יותר, בעוד שערבוב ידני באמצעות מיקרופיפטות הביא למגוון רב יותר.
עד עכשיו, חוקרים הניחו שמכשירים מיקרופלואידיים מתפקדים טוב יותר, אבל יאמאגאטה ראתה שמיקרופיפטינג מניב תוצאות טובות יותר במקרים מסוימים.
"זה בערך כמו אפיית עוגיות", היא אומרת. "אפשר להשתמש באותם מרכיבים, אבל אם מכינים אותם אחרת, למוצר הסופי יהיה מבנה שונה".
כיוונים עתידיים
התוצאות פותחות את הדלת לעידן חדש של עיצוב LNP רציונלי, מעבר לגישת הניסוי והטעייה של היום.
במקום להניח ניסוח אחד "הטוב ביותר", המחקר מראה שיש להתאים את גודל החלקיקים, הצורה, המבנה הפנימי ושיטת ההכנה להקשר הטיפולי. "אין LNP אחד שמתאים לכולם", אומר יאמאגאטה. "כל פרט משפיע על צורתם ומבנהם, והצורה והמבנה משפיעים על תפקודם".
בעוד שחלק מהכלים המשמשים בניסויים – כמו מאיץ חלקיקים – קשים לגישה, ניתן לשחזר רבים מהשלבים עם ציוד נפוץ יותר. כאשר מעבדות נוספות מייצרות נתונים מבניים ותפקודיים, השדה יכול אפילו להרכיב את מערכי הנתונים הדרושים לאימון AI לתכנון LNP.
בסופו של דבר, הממצאים מצביעים על עתיד שבו ניתן להנדס ננו-חלקיקים באותה דיוק כמו התרופות עצמן. "המאמר הזה מספק מפת דרכים לתכנון LNPs בצורה יותר רציונלית", אומר מיטשל.
