מהנדסי פן בישלו דרך חדשה לשיפור אספקת mRNA, ופיתחו "מתכון" אופטימלי לשומנים הניתנים למינון -; מרכיבי מפתח בננו-חלקיקי שומנים (LNPs), המולקולות מאחורי חיסוני ה-COVID-19 וטיפולים חדשניים אחרים. השיטה, המתוארת ב טבע הנדסה ביו-רפואיתמשקף את התהליך האיטרטיבי של פיתוח מאכל קולינרי ועשוי להוביל לחיסוני mRNA בטוחים ויעילים יותר.
בדיוק כפי ששף משכלל מנה על ידי התנסות בטעמים ומרקמים, החוקרים השתמשו בתהליך איטרטיבי, ובדקו וריאציות כדי למצוא את המבנה האידיאלי לליפיד המייננן. המבנה של שומנים זה משפיע על היכולת של LNPs לספק בהצלחה את תוכנם ומקדם טיפולי mRNA עבור חיסונים ועריכת גנים.
פריצת דרך בעיצוב LNP
ננו-חלקיקים שינו את האופן שבו חיסוני mRNA וטיפולים מועברים על ידי כך שאפשרו להם לנוע בבטחה בגוף, להגיע לתאי מטרה ולשחרר את תוכנם ביעילות. כשלעצמו, ה-RNA שביר, ואחרת היה מתמוסס מבלי להגיע אי פעם ליעד המיועד לו.
בלב הננו-חלקיקים הללו נמצאים שומנים מייננים, מולקולות מיוחדות שיכולות לעבור בין מצב טעון לנייטרלי בהתאם לסביבתם. מתג זה חיוני למסע של הננו-חלקיק: במחזור הדם שומנים מייננים נשארים ניטרליים, ומונעים רעילות. אבל ברגע שהם נכנסים לתא המטרה, הם נעשים טעונים חיובית, מה שגורם לשחרור מטען ה-mRNA.
בראשות מייקל ג'יי מיטשל, פרופסור חבר בביו-הנדסה, חידדו החוקרים את תהליך האספקה על ידי ייעול המבנה של שומנים מייננים. מעבר לשיטות הקיימות המוגבלות על-ידי פשרות בין מהירות ודיוק, הצוות פיתח תהליך "אבולוציה כימית מכוונת" שלב אחר שלב. באמצעות חמישה מחזורים, כאשר כל אחד מהם חידד את השומנים, הם יצרו עשרות שומנים בעלי ביצועים גבוהים ומתכלים -; חלקם אפילו עולים על תקני התעשייה.
הרוטב הסודי: אבולוציה כימית מכוונת
כדי לפתח ליפידים מייננים בטוחים ויעילים יותר, ה-Pen Engineers השתמשו בגישה ייחודית המשלבת שתי שיטות רווחות: כימיה רפואית, הכוללת תכנון איטי ועמל של מולקולות צעד בכל פעם, וכימיה קומבינטורית, הכוללת יצירת מולקולות רבות ושונות במהירות באמצעות תגובות פשוטות. לראשון דיוק גבוה אך מהירות נמוכה, בעוד שלאחרון דיוק נמוך ומהירות גבוהה.
"חשבנו שאולי אפשר להשיג את הטוב משני העולמות", אומר שוקסיאנג האן, המחבר הראשון של העיתון ועד לאחרונה, פוסט דוקטורט במעבדת מיטשל. "מהירות גבוהה ודיוק גבוה, אבל היינו צריכים לחשוב מחוץ לגבולות המסורתיים של השדה".
על ידי שאילת הרעיון של אבולוציה מכוונת, טכניקה המשמשת הן בכימיה והן בביולוגיה המחקה את תהליך הברירה הטבעית, החוקרים שילבו דיוק עם תפוקה מהירה כדי להשיג את "מתכון הליפידים" האידיאלי שלהם.
התהליך מתחיל ביצירת מגוון רחב של מולקולות, אשר נבדקות על יכולתן לספק mRNA. הליפידים בעלי הביצועים הטובים ביותר משמשים לאחר מכן כנקודות מוצא ליצירת סבב נוסף של וריאנטים מולקולריים, וכן הלאה, עד שנותרו רק וריאנטים בעלי ביצועים גבוהים.
מרכיב חדשני: א3 מַצְמֵד
תורם מכריע למתכון של הצוות לשיפור שומנים מייננים הוא A3 צימוד, תגובה בת שלושה מרכיבים על שם המרכיבים הכימיים שלה: אמין, אלדהיד ואלקין.
התגובה, שמעולם לא נוצלה לסינתזה של שומנים מייננים עבור LNPs, משתמשת במרכיבים זולים וזמינים מסחרית ומייצרת רק מים כתוצר לוואי, מה שהופך אותה לבחירה חסכונית וידידותית לסביבה לייצור מהיר של המספר הגדול של גרסאות שומנים מייננות הנדרשות כמרכיבים לאבולוציה מכוונת.
גילינו שה-A3 התגובה הייתה לא רק יעילה, אלא גם גמישה מספיק כדי לאפשר שליטה מדויקת על המבנה המולקולרי של השומנים".
מייקל ג'יי מיטשל, פרופסור חבר בביו-הנדסה, בית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת פנסילבניה
גמישות זו הייתה המפתח לכוונון עדין של תכונות השומנים המייננות לאספקת mRNA בטוחה ויעילה.
למה ההקדמה הזו חשובה
לשיטה החדשה הזו לעיצוב שומנים מייננים צפויה להיות השלכות רחבות על חיסונים ותרופות מבוססות mRNA, אשר מוכנים לטפל במגוון מצבים, מהפרעות גנטיות ועד למחלות זיהומיות.
בעבודה זו, הליפידים שעברו אופטימיזציה שיפרו את אספקת ה-mRNA במודלים פרה-קליניים עבור שני יישומים בעלי עדיפות גבוהה: עריכת גנים הגורמים לעמילואידוזיס תורשתית, מחלה נדירה שגורמת להצטברות חלבון לא תקינה בכל הגוף, ושיפור אספקת חיסון ה-mRNA COVID-19 . בשני המקרים, הליפידים המהונדסים הראו ביצועים גבוהים יותר מאשר הליפידים הסטנדרטיים בתעשייה הנוכחיים.
מעבר ליישומים הספציפיים הללו, לגישה החדשה יש פוטנציאל להאיץ את הפיתוח של טיפולי mRNA באופן כללי. אמנם זה יכול לקחת שנים כדי לפתח ליפיד יעיל בשיטות מסורתיות, תהליך האבולוציה המכוון של הצוות יכול להפחית את ציר הזמן הזה לחודשים או אפילו שבועות בלבד.
"התקווה שלנו היא ששיטה זו תאיץ את הצינור לטיפולים וחיסוני mRNA, ותביא טיפולים חדשים לחולים מהר יותר מאי פעם", אומר מיטשל.
גבול חדש לאספקת mRNA
LNPs מייצגים דרך בטוחה וגמישה לספק חומר גנטי, אך הצלחתם תלויה במאפיינים של השומנים הניתנים למינון שלהם. תהליך התכנון האיטרטיבי של Penn Engineers מאפשר לחוקרים לשפר את השומנים הללו במהירות ובדיוק חסרי תקדים, ולקרב את הדור הבא של טיפולי mRNA למציאות.
עם המתכון החדשני הזה ל-LNPs, Penn Engineers עשו צעד גדול קדימה בקידום טכנולוגיית ה-mRNA, ומציעים תקווה לנתיב מהיר ויעיל יותר לטיפולים משנים חיים.
מחקר זה נערך בבית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת פנסילבניה ונתמך על ידי פרס המנהל החדש של המכון הלאומי לבריאות (NIH) של מנהל חדש (DP2 TR002776), פרס קריירה של Burroughs Wellcome Fund בממשק המדעי (CASI), פרס CAREER של קרן המדע הלאומי של ארה"ב (CBET-2145491), מענק מחקר של האגודה למלחמה בסרטן (RSG-22-122-01-ET) ו-iECURE.
מחברים שותפים נוספים כוללים את Kelsey L. Swingle, Junchao Xu, Ningqiang Gong, Lulu Xue, Giangqiang Shi ואיל-צ'ול יון מ-Penn Engineering; רוהן פלנקי, מפן רפואה ופן הנדסה; מוחמד-גבריאל עלמה, רקאן אל-מאיה, גארימה דויוודי, ג'יימס מ. ווילסון ודרו וייסמן מפן רפואה; וקלוד סי ורצ'ה מ-Gemma Therapeutics.
