לכל תא בגוף יש מערכת משלוח ייחודית משלו שמדענים עובדים על רתימתה להעברת תרופות ביולוגיות מהפכניות -; מולקולות כמו חלבונים, RNA ושילובים של השניים -; לחלקים חולים ספציפיים בגוף.
מחקר חדש מאוניברסיטת נורת'ווסטרן חטף את מערכת המעבר ושלח מיכלים זעירים בגודל וירוס כדי להעביר ביעילות חלבון מהונדס לתא המטרה שלו ולעורר שינוי בביטוי הגנים של התא. ההצלחה הגיעה מעידוד חלבונים מהונדסים לנוע לעבר מבנה קרום תא מסוים, שהחוקרים גילו שהגדיל את הסבירות של חלבון להיצמד למיכל.
פורסם ביולי בכתב העת תקשורת טבעהמאמר טוען שהטכניקה החדשה יכולה להיות ניתנת להכללה, ולסלול את הדרך למטרה של מתן תרופות ביולוגיות ממוקדות.
המחקר מקרב את החוקרים צעד אחד להתמודדות עם צוואר בקבוק מרכזי לפיתוח רפואה ביולוגית, תוך קביעה כיצד להגן על מולקולות שבירות בגוף ולהבטיח שהן מגיעות לתאים החולים הנכונים בחולה מבלי להשפיע על תאים בריאים.
המחקר משלב עבודה משתי מעבדות במרכז לביולוגיה סינתטית של נורת'ווסטרן: אלה של המהנדס הביו-רפואי נהה קמאת ומהנדס הכימי והביולוגי ג'וש לאונרד. מעבדת קמאת התמקדה במידה רבה בתכנון של מיכלים סינתטיים ומשתמשת בעקרונות ביו-פיזיקליים כדי לשלוט במולקולות המכוונות לתאים אחרים. המעבדה של לאונרד מפתחת כלים לבניית מיכלי מסירה טבעיים אלה, המכונים שלפוחיות חוץ-תאיות (EVs).
היינו מעוניינים ליישם כמה מהתובנות הביו-פיזיקליות שהופיעו לגבי איך למקם חלבונים למבני ממברנה ספציפיים כדי שנוכל לחטוף את המערכת הטבעית הזו. במחקר זה, אנו מגלים דרכים כלליות להעמיס מטען תרופות לתוך שלפוחיות אלה ביעילות רבה תוך שמירה על תפקודן. זה עשוי לאפשר תרופות ביולוגיות חוץ-תאיות יעילות ובמחיר סביר יותר".
נה קמת, הכותבת המשותפת של העיתון ופרופסור חבר בבית הספר להנדסה מקורמיק
המפתחות לגישת "טעינת מטען" זו הם אתרים על קרומי תאים הנקראים רפסודות שומנים. אזורים אלה מובנים יותר משאר הממברנה ומכילים באופן אמין חלבונים ושומנים ספציפיים.
"רפסודות ליפידים נחשבות בעיני חלקן למלאות תפקיד ביצירת EVs, שכן ממברנות EV מכילות את אותם שומנים שנמצאים ברפסודות ליפידים", אמר ג'סטין פרוצי, שהוביל את המחקר יחד עם טיילור גונלס כדוקטורנטים במעבדה של קמאת. עבודתם של Gunnels במעבדה נמשכת, ופרוצי, שסיים את הדוקטורט שלו, עובד כמדען בחברת תרופות מבוססות חלבון. "השערנו שאם נבנה חלבונים לקשר עם רפסודות שומנים, הם עלולים להיטען לתוך השלפוחית, ולאפשר להם להיות מועברים לתאים אחרים."
הצוות השתמש במסדי נתונים של חלבונים ובניסויי מעבדה כדי לקבוע ששיוך רפסודת שומנים הוא שיטה יעילה לטעינת מטען חלבון לתוך EV, מה שמאפשר להעמיס עד פי 240 יותר חלבון לתוך שלפוחיות.
לאחר שגילו את העיקרון הביו-פיזי הזה, הדגימו החוקרים יישום מעשי של השיטה. הם הנדסו תאים כדי לייצר חלבון הנקרא גורם שעתוק, העמיסו אותו לתוך EVs ואז העבירו אותו לתא כדי לשנות את ביטוי הגנים של התא המקבל -; מבלי לפגוע בתפקוד החלבון בעת המסירה.
קמאת וליאונרד אמרו שהאתגר העיקרי בהעמסת מטען טיפולי לרכבי רכב חשמליים הוא שתא היצרן והתא המקבל נמצאים לעתים קרובות בסתירה זה עם זה. בתא המייצר את ה-EV, למשל, אתה עשוי להנדס מטען טיפולי שייקשר בחוזקה לממברנה כדי להגביר את הסיכוי שהוא יעבור ל-EV ששוחרר בקרוב. עם זאת, אותה התנהגות היא לעתים קרובות בלתי רצויה בתא נמען מכיוון שמטען שנמסר תקוע לממברנה עשוי להיות לא מתפקד. במקום זאת, אולי תרצה שהמטען הזה ישתחרר מקרום ה-EV ויעבור לגרעין התא כדי לבצע את תפקידו הביולוגי. התשובה הייתה יצירת מטען עם פונקציות הפיכות.
"כלים המאפשרים חיבור ממברנה הפיך יכולים להיות חזקים מאוד בעת בניית תרופות מבוססות EV," אמר Gunnels. "למרות שאיננו בטוחים עדיין במנגנון המדויק, אנו רואים עדויות להפיכות זו בגישה שלנו. הצלחנו להראות שעל ידי אפנון אינטראקציות שומנים-חלבון, נוכל לטעון ולספק באופן תפקודי את המטען הטיפולי המודל שלנו. במבט קדימה, אנו להוטים להשתמש בגישה זו כדי לטעון מולקולות רלוונטיות מבחינה טיפולית, כמו מערכות לעריכת גנים של CRISPR."
החוקרים אמרו שהם להוטים לנסות את הגישה עם מטען רפואי ליישומי מחלות באימונותרפיה ורפואה רגנרטיבית.
"אם נוכל לטעון תרופות ביו פונקציונליות לרכבי חשמל שמעוצבים רק כדי להעביר את הביומולקולות הללו לתאים חולים, נוכל לפתוח את הדלת לטיפול בכל מיני מחלות", אמר לאונרד, המחבר השותף ופרופסור במקורמיק. "בגלל יכולת ההכללה שצפינו במערכת שלנו, אנו חושבים שניתן ליישם את ממצאי המחקר הזה כדי לספק מגוון רחב של מטענים טיפוליים למצבי מחלה שונים."
המאמר, שכותרתו "שיפור העמסת מטען שלפוחית חוץ-תאית ואספקה פונקציונלית על ידי הנדסת אינטראקציות חלבון-שומנים", נתמך על ידי תוכנית ה-McCormick Research Catalyst באוניברסיטת נורת'ווסטרן, הקרן הלאומית למדע (מעניקה 1844219 ו-2145050) ומלגות מחקר בוגרי NSF (DGE -1842165).
