Search
Perspective: The 60-year evolution of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery. Image Credit: Kateryna Kon / Shutterstock

60 שנה בהתהוות: ננו-חלקיקים מחוללים מהפכה באספקת נוקלאוטידים

מאמר פרספקטיבה שפורסם לאחרונה בכתב העת טבע ביקורות גילוי תרופות דנו באבולוציה של ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) לאספקת חומצות גרעין. המחברים, פיטר קוליס, פרופסור לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת קולומביה הבריטית, ופיליפ פלגנר, פרופסור לפיזיולוגיה וביופיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, אירווין, הם ממציאים שותפים של טכנולוגיית ננו-חלקיקים של שומנים וחלוצים בשימוש בהם. טיפול גנטי ומתן חיסונים.

פרספקטיבה: האבולוציה של 60 שנה של ננו-חלקיקי שומנים לאספקת חומצות גרעין. קרדיט תמונה: קטרינה קון / Shutterstock

מחקרים מוקדמים על in vivo מסירת גנים הראתה שניתן להשיג מסירה פונקציונלית על ידי הזרקת פלסמידים עירומים המכילים גנומים ויראליים המשובטים לוקטורי ביטוי אוקריוטיים. עם זאת, התועלת הקלינית של אסטרטגיות אספקת פלסמיד עירום הוגבלה עקב חששות לגבי שילוב DNA ספונטני בגנום האנושי והעברה לא יעילה.

חוץ מזה, וקטורים ויראליים לטיפול גנטי היו קשורים לעתים קרובות לתגובות חיסוניות. רוב הטיפולים הגנים הנמצאים כיום בפיתוח משתמשים במערכות מסירה ויראליות, למשל, וקטורים של וירוסים הקשורים לאדנו. למרות התקדמות ניכרת, חששות לגבי ייצור, יכולת גנטית ואימונוגניות מונעים התקדמות עבור וקטורים ויראליים.

המחברים מאמינים שמערכות אספקה ​​מבוססות שומנים, כגון LNPs, עשויות להפוך לדומיננטיות בשל הסבילות, הבטיחות, הקיבולת הגנטית, קלות התכנון והייצור המשופרת שלהן. מערכות אלו התפתחו עם מחקר על שני תחומים קשורים: גילוי תכונות ההעברה של ליפופקסים והופעת LNPs. במחקר הנוכחי, המחברים בחנו את האבולוציה של שני זרמי מחקר אלו בששת העשורים האחרונים.

ליפוזומים וליפופלקסים

בשנת 1964, התגלה כי פיזור אובולציטין במדיה מימית מייצר מערכות רב-שכבתיות של דו-שכבות שומנים קונצנטריות. זה הוביל למחקר אינטנסיבי לאפיון התכונות הביו-פיזיקליות והתפקודיות של שומנים. מאמץ ניכר הושקע גם בפיתוח מערכות ליפוזומליות המכילות מטענים של חומצות גרעין למסירה לתאים.

בשנת 1987, הונחה כי ליפוזומים טעונים חיוביים עשויים לשפר את יעילות המעטפת של פולימרים טעונים שליליים של חומצות גרעין במערכות מבוססות שומנים. עם זאת, ליפידים יוצרי דו-שכבה טעונים חיובית אינם קיימים בטבע, ועמיתיהם הסינתטיים לא היו קיימים אז.

בהתבסס על מחקר ליפוזומים, סונתזו מספר שומנים קטיוניים, כאשר N-(1-(2,3-דיולילוקסי)פרופיל)-N,N,N-trimethylammonium chloride (DOTMA) היא התרכובת המובילה. ערבוב וביצוע קולי של DOTMA עם ריכוזים שווה-מולריים של שומנים עוזרים, כגון dioleoyl-phosphatidylethanolamine או dioleoyl-phosphatidylcholine, מייצר ליפוזומים יציבים, בעלי מטען חיובי.

Lipoplexes נוצרים כאשר ליפוזומים מעורבבים עם DNA פלסמיד (pDNA). Lipoplexes מייצגים אבן דרך משמעותית ונקודת מוצא ליצירת ננו-חלקיקים בעלי יכולת טרנספקציה. חוץ מזה, הם יכולים להעביר ביעילות RNA שליח (mRNA) ו-pDNA לתאים מתורבתים מבלי להידרש לקבוצות פונקציונליות נוספות.

מערכות אספקה ​​של LNP

האבולוציה של LNPs המכילים אזורים קוטביים (הכוללים מטען חומצת גרעין) וליבה הידרופוביה (של שומנים מייננים ניטרליים) התבססה על הבנת מערכות ליפוזומליות דו-שכבתיות וניסיון מניסוחים ליפוזומים של תרופות אנטי-סרטניות. מחקר על פולימורפיזם ואסימטריה של שומנים סיפק תובנות וכלים חיוניים לפיתוח מערכות אספקת LNP.

הופעתם של תהליכים ניתנים להרחבה לניסוח וטעינת מערכות ליפוזומליות וההתבוננות כי ציפוי פוליאתילן גליקול (PEG) מעניק זמן מחצית חיים ארוך במחזור, הניעו מאמצים אינטנסיביים לייצר ניסוחים ליפוזומים אנטי-סרטניים ליישום קליני. בשנות ה-90, פורמולציות מבוססות שומנים של מערכות אספקת חומצות גרעין תוארו כמציגות את זמן מחצית החיים הארוך של מחזור הדם הנחוץ לגישה לאתרי מחלה.

מחקר על ליפוזומים למתן תרופות הצביע על כך שלליפוזומים ללא מטען פני השטח יכולים להיות מחצית חיים ארוכים. לכן, החלו מאמצים לפתח מערכות מבוססות שומנים תוך שימוש בכמויות קטנות של שומנים קטיוניים כדי ללכוד חומצות גרעין או לפתח פרוטוקולי לכידה חדשים, המאפשרים מערכת מסירה ניטרלית נטו.

המערכת הראשונה כזו דווחה בשנת 1999, שבה pDNA הוכנס לחלקיקי שומנים פלסמידים מיוצבים (SPLPs) באמצעות שיטת דיאליזה דטרגנטית. מחקרים שלאחר מכן גילו של-SPLPs היו חיי מחזור ארוכים להפליא ורעילות נמוכה יותר מאשר קומפלקסים. עם זאת, תהליך הדיאליזה של חומרי הניקוי לא היה ניתן להרחבה. יתרה מכך, אנקפסולציה של אוליגונוקלאוטידים אנטי-סנס בתוך מערכות מבוססות שומנים דווחה בשנת 2001.

חלקיקי ליפידים מיוצבים אנטי-סנס (SALPs) אלה הוכיחו מחצית חיים ארוכים ורעילות נמוכה יותר מאשר קומפלקסים. יתר על כן, מחקר אחד הראה כי RNA מפריע קטן (siRNA) שנועד להשתיק את אפוליפופרוטאין B יכול להיות מובלע בחלקיקי חומצת גרעין-שומנים מיוצבים (SNALPs), גרסה של SALP, עם תוצאות מבטיחות בפרימטים ועכברים שאינם אנושיים. עם זאת, המדד והעוצמה הטיפוליים לא היו מספקים ליישום קליני.

בשנת 2010, נחשף שניתן לשפר את עוצמת ההשתקה של ניסוחי LNP של siRNA, עד אז תוארו SALPs, SNALPs ו-SPLPs כחלק מ-LNPs. בשנת 2013, ניסויים קליניים שלב 1 גילו ש-LNPs המכילים siRNA ו-4-(N,N-dimethylamino) חומצה בוטירית (dilinoleyl) מתיל אסטר יכולים להפחית במהירות ובחזק את הטרנסטיריטין במחזור הדם.

לניסויי שלב 3 היו גם תוצאות מצוינות לטיפול בעמילואידוזיס המושרה על ידי טרנסטירטין. במהלך הפיתוח, יחסי השומנים ב-LNP השתנו, והרכב ה-LNP הטוב ביותר עדיין שנוי במחלוקת. יתרה מכך, הוכח בשנת 2012 שניתן לגבש LNPs המשמשים לאספקת siRNA כדי לעטוף RNA מגביר עצמי, ולאחר מכן מחקרים שגילו בשנת 2015 שניתן לכמוס את ה-mRNA המקודד לאריתרופויאטין ב-LNPs כדי להמיר את הכבד.

עבודה שלאחר מכן הראתה שמערכות LNP mRNA יכולות להעביר רקמות מגוונות בדרכים שונות. בשנת 2017, הוכח כי LNP mRNA המקודד לחלבון ויראלי הוא בעל הגנה גבוהה מפני נגיף הזיקה. זה גרם למאמצים משותפים ליצור חיסון נגד שפעת המבוסס על מערכת ה-mRNA LNP. עם זאת, בשנת 2020, הוסטו המאמצים לפיתוח חיסון למחלת נגיף הקורונה 2019 (COVID-19), והביאו לחיסון ה-mRNA, Comirnaty.

הערות לסיום

הצלחתן של מערכות LNP לחיסונים וטיפולים מבוססי חומצות גרעין פותחת עידן חדש של טיפולים גנטיים. למערכות אלו יש יתרונות עצומים על פני מערכות אספקה ​​ויראליות ואחרות לגבי קיבולת מטען, מדרגיות, ייצור, עלויות וטיפולים מותאמים אישית. עתיד הטיפולים המבוססים על LNP יהיה מותנה בהתקדמות בפיתוח של LNP מתוחכמים עם מסירה חוץ-כבדית והתקדמות בביולוגיה מולקולרית, שיאפשרו מניפולציה מדויקת של המטען שנמסר.

עם ההתקדמות המתמדת בטכנולוגיית LNP, מערכות אלו טומנות בחובן הבטחה לטיפולים גנים מתוחכמים יותר ויותר, המאפשרים אפשרויות טיפול מדויקות ויעילות.

דילוג לתוכן