צמד מחקרים של Husker הוכרז לזוכה בסיבוב הראשון בתחרות של מכונים לאומיים לבריאות שמטרתה לייצר פתרונות לאספקת טכנולוגיית עריכת גנום לתאים של אנשים עם מחלות נדירות ושכיחות.
יאנוס זמפלני, פרופסור וילה קאתר לתזונה מולקולרית, וג'יאנטאו גואו, פרופסור לכימיה, נבחרו כמנצחים בשלב 1 באתגר משלוח עורך הגנום הממוקד של ה-NIH. האתגר הוא תחרות תלת-שלבית עם פרסים בסך 6 מיליון דולר; צוות אוניברסיטת נברסקה-לינקולן היה בין 30 הנמענים הראשוניים שהוכרזו בדצמבר 2023.
עם הפרס של $25,000, זמפלני וגואו יקדמו פיתוח של אקזומי חלב אוניברסליים -; ננו-חלקיקים טבעיים הכלולים בחלב -; מסוגל להעביר עורכי גנים לכל מקום בגוף.
האקסוזומים הניתנים לתכנות יהיו בטוחים, ניתנים להרחבה, ובניגוד לננו-חלקיקים קונבנציונליים, מסוגלים לחמוק מקרופאגים, תאי מערכת החיסון שהורסים חומרים זרים.
"עם הטכנולוגיה שלנו, אתה יכול לטפל בעצם בכל מחלה המוכרת לאנושות, הן נדירה והן נפוצה", אמר זמפלני, שמוביל את הפרויקט ומנהל את מרכז נברסקה למניעת מחלות השמנת יתר באמצעות מולקולות תזונתיות. "סוכנויות פדרליות אינן להוטות יתר על המידה להשקיע בטיפול במחלות נדירות כי זה עולה הרבה כסף, אך רק מעטים מרוויחים.
"עם הגמישות של הטכנולוגיה שלנו, אנחנו יכולים, ללא עלות נוספת, לספק פלטפורמה לטיפול בכל דבר, ממחלות נפוצות כמו סרטן המוח, ועד למוטציות גנים נדירות מאוד שאולי משפיעות רק על 500 אנשים בארצות הברית".
הטכנולוגיה תתגבר על אחד האתגרים המשמעותיים ביותר בשימוש בעריכת גנים לטיפול במחלות. למרות שכלים כמו CRISPR-cas9 יכולים למחוק, לתקן או להחליף DNA הגורם למחלות -; מה שעלול לעצור את צמיחת הגידול בסרטן או להפסיק את הייצור של חלבונים מזיקים -; כרגע אין אמצעי אמין להבטיח שעורך יגיע לכל איבר או רקמה הקשורים למחלה מסוימת. וכאשר עורכי גנים אכן מגיעים ליעד המיועד, לעתים קרובות הם אינם שורדים במספר מספיק כדי לשנות את מהלך המחלה.
הפתרון של צוות Husker משלב את המומחיות המוכרת הלאומית של זמפלני באקסוזומי חלב עם הכישורים הנרחבים של Guo בתחום ההולך וגדל של כימיה ביואורתוגונלית. בהתבסס על מחקריו הקודמים, זמפלני ידע שניתן להעמיס על אקזומי חלב תרופות טיפוליות ולפרוס אותם לרקמה ספציפית בגוף. הוא גם הוכיח את הבטיחות הביולוגית של האקסוזומים, כלומר לא סביר שהם יגרמו לתגובות שליליות בחולים.
אבל הכלים שלו היו חסרים צדדיות: הוא היה צריך שיטה לכוון את האקסוזומים למקומות שונים בהתאם למחלה שבידיו.
כדי להשיג זאת, פיתח זמפלני גישה המאפשרת לו לצרף שלושה פפטידים -; שרשראות חומצות אמינו קצרות -; לממברנה של כל אקסוזום. האחד הוא פפטיד בום, המכוון את האקסוזום להיקשר לאתר ספציפי בגוף. אחר הוא פפטיד "אל תאכל אותי", ששולח אותות ביוכימיים המאפשרים לאקסוזום לסכל הרס מקרופאגים. האחרון הוא מה שנקרא פפטיד רטרופוזיציה, אשר מחזק את יכולת השרידות של האקסוזום ברגע שהוא נכנס לתאי המטרה.
השימוש בשלושת הפפטידים יחד הוא חדשני, אמר זמפלני, ונתונים ראשוניים מצביעים על כך שהגישה היא ריאלית. אבל מה שחדשני עוד יותר הוא הגישה של הצוות לעיגון הפפטידים לממברנה האקסוזום. גישות קונבנציונליות מחדירות עוגני שומנים לתוך הממברנה, ואז מצמידים את משפרי הפפטידים לאותם עוגנים. הבעיה היא שאותם שומנים נמשכים לתרכובות ליפופיליות אחרות בגוף, מה שמוביל לניתוק ואובדן הפפטיד המצורף.
הגישה של צוות נברסקה מתגברת על בעיה זו על ידי יצירת אתרי עגינה בחלבון ממברנה בשם CD81, המושרש היטב באקסוזום, ומונע ניתוק. Guo משתמש בגישות כימיה ביו-אורתוגונליות כדי ליצור קישורים יציבים וקוולנטיים בין אתרי העגינה לבין הפפטידים. לדבריו, תכנית ההתקשרות הזו מעניקה יציבות ואחידות למבנה האקסוזום, ומגבירה את הכדאיות המסחרית של טיפולים המבוססים על אקסוזום חלב.
"אם זה היה עובר לניסויים קליניים, יהיה קל יותר ל-FDA לראות שזהו מבנה מוגדר, הומוגני, ולא תיוג אקראי שיוביל להבדלים בין אצווה לאצווה", אמר גואו, המוביל את מרכז נברסקה לתקשורת ביו-מולקולרית משולבת.
זמפלני וגואו מצמידים לאקסוזומים גם תג פוליהיסטידין, המאפשר לטהר אותם בעלות נמוכה ובטוהר גבוה. התג ניתן להסרה בקלות במקרה שהוא גורם לתגובות שליליות בחולים.
אריזת האקסוזומים של החלב עם מטען CRISPR-cas9 ותרופות אחרות היא אחת המטרות ארוכות הטווח של זמפלני. בסופו של דבר -; אולי עם תמיכה ממימון נוסף באמצעות האתגר TARGETED -; הוא שואף לשתף פעולה עם מומחה לבעלי חיים מהונדסים באוניברסיטת יוטה סטייט כדי לפתח עז או פרה אשר, באמצעות החלב שלה, מפרישות מספר עצום של אקסוזומים הניתנים לתכנות המכילים מטען לעריכת גנים ואת אתרי העגינה של הפפטידים.
עבור פרויקט שלב 1 זה, הוא יטען לתאי MAC-T מתורבתים, המשקפים מקרוב תאי חלב פרה, בכלים לעריכת גנים תוך שימוש בגישות גנטיקה וכימיה שנקבעו בעבר.
האקסוסומים המעצבים של זמפלני וגאו כבר מראים פוטנציאל מסחרי. בסוף 2023, הצוות קיבל הודעה שהם יקבלו פטנט שכותרתו שלפוחיות חוץ תאיות ושיטות שימוש. הם העניקו רישיון להמצאות בפטנט הזה לחברה פרטית, המשותפת עם Roche, Inc., להשתמש בטכנולוגיית אקסוזום חלב בקר כדי לספק תרופות RNA לגידולי מוח.
החוקרים מכינים את בקשתם ל-TARGETED Challenge Phase 2, אשר יעניק עד 10 זוכים $250,000 וזכאות להתחרות בשלב 3. NIH תכריז על הזוכים בשלב 2 באפריל 2025.
