Mühendisler Belirli Dokular ve Organlara Gen Düzenleme Araçları Sağlayan Nanoparçacıkları Oluşturdu!

Biyomedikal araştırmalarda dikkat çekici son gelişmelerden biri, yüksek düzeyde hedeflenmiş gen düzenleme yöntemlerinin, CRISPR gibi, bir hücre içindeki geni muhteşem bir hassasiyet ile değiştirebilen, çıkarabilen veya ekleyebilen metotların geliştirilmesi olmuştur. Bu metot, orak hücre anemisi ve çoklu miyelom ve liposarkom gibi kanser hastalarının tedavisi için halen test ediliyor veya kullanılıyor. Bugün, kimyada Nobel Ödülü’nü almaya hak kazanmış olan  Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna bu metodun yaratıcılarıdır.

Genleri bulmada ve değiştirmede gen düzenleme, dikkat çekici derecede hassas olsa da, tedaviyi vücuttaki belirli lokasyonlara hedeflemenin hala bir yolu yoktur. Şimdiye kadar test edilen tedaviler, kan kök hücrelerini veya bağışıklık sistemi T hücrelerini değiştirmek için vücuttan çıkarmayı ve ardından kan dolaşımını yeniden oluşturmak veya bir bağışıklık tepkisini yeniden oluşturmak için bir hastaya, pahalı ve zaman alıcı bir süreç olsa da geri verilmesini içeriyor.

Charpentier ve Doudna’nın başarılarını temel alan Tufts araştırmacıları fare modellerinde, ilk defa gen düzenleme paketlerinin doğrudan kan beyin bariyerinden ve beynin belirli bölgelerinin içine, bağışıklık sistemi hücrelerinin içine veya belirli dokulara ve organlara verimli bir şekilde ulaştırmanın bir yolunu keşfettiler. Bu uygulamalar, nörolojik durumların yanı sıra kanser, bulaşıcı hastalık ve otoimmün hastalıkların tedavisinde tam anlamıyla yeni bir strateji çizgisi açabilir.

Doçent Qiaobing Xu önderliğinde bir grup Tufts biyomedikal mühendisi, gen düzenleme “kitini” paketlemenin bir yolunu bulmaya çalıştı, böylece işini laboratuvarda halletmek yerine hedeflenen hücreler üzerinde vücudun içinde yapması için enjekte edilebilirdi.

Kullandıkları lipid nanoparçacıklar (LNPs), lipid moleküllerin düzenlenmiş küçük kabarcıkları enzimleri sarabilir ve belirli hücrelere, dokulara veya organlara taşıyabilir. Lipidler, onlara yağlı bir kıvam vermeye yardımcı uzun bir karbon kuyruğu ve sulu bir ortama çekilen hidrofilik bir kafa içeren moleküllerdir.

Baş ve kuyruk arasında tipik olarak nitrojen, kükürt ve oksijen bazlı bir bağlantı da bulunur. Lipidler, başları dışarıya ve kuyrukları içeriye doğru merkeze bakacak şekilde kabarcık nanoparçacıklarının etrafında düzenlenir.

Xu’nun ekibi, lipid nanoparçacıkların yüzeyini değiştirebildi, böylece eninde sonunda belirli hücre tiplerine yapışabilir, zarlarıyla kaynaşabilir ve gen düzenleyici enzimleri işlerini yapmak için hücrelerin içine salabilirler.

Hedeflenen bir lipid nanoparçacık yapmak biraz da olsa kimyasal zanaatkarlık gerektirir.

Araştırmacılar ilk olarak laboratuvarda, farklı başlıkların, kuyrukların ve bağlayıcıların bir karışımını oluşturarak belirli hücreleri hedefleyen lipid nanoparçacıkları oluşturma yetenekleri için çeşitli çok miktarda adayları tarayabilirler. En iyi adaylar daha sonra fare modellerinde test edilebilir ve farede gen düzenleme enzimlerinin aynı hücrelere hedeflenmesini ve verilmesini optimize etmek için kimyasal olarak daha fazla modifiye edilebilir.

Xu, “Gen düzenlemeyi de içeren potansiyel terapötiklerin geniş aralığa sahip bir teslimat paketinin uygun hale gelmesi için bir metot oluşturduk. Metotlar, kombinatoryal kimyadan yararlanarak ilaçların kendilerinin tasarlanması için ilaç endüstrisi tarafından kullanıldı, ancak bunun yerine uygulama aracının bileşenlerini tasarlama yaklaşımını uyguluyoruz” dedi.

Zekice hazırlanmış bir kimyasal modellemede Xu ve ekibi, bazı lipidlerin başında bir nörotransmiteri parçacıkların kan beyin bariyerini geçmesine yardımcı olması için kullandı; aksi takdirde bu bir LNP gibi büyük moleküller için sızdırmaz olacaktır.

İlaçları bariyerden geçip beyne güvenli ve verimli bir şekilde ulaştırma yeteneği, tıpta çoktandır devam eden bir zorluk olmuştur. İlk defa, Xu’nun laboratuvarında, CRISPR kitini oluşturan haberci RNA’lar ve enzimlerden oluşan bir kompleks, canlı bir hayvanda beynin hedeflenmiş bölgelerinin içine teslim edildi.

Bazı küçük modifikasyonlar lipid bağlayıcılar ve kuyruklarda, beynin içine küçük bir moleküle sahip olan antifungal ilaç amfoterisin B’yi (menenjitin tedavisi için) ve Alzheimer hastalığına bağlı tau proteinini üreten gene bağlanan ve onu kapatan bir DNA parçasını verebilen lipid nanoparçacıklar oluşturulmasına yardımcı oldu.

Yakın zamanda, Xu ve takımı farelerde T hücrelerinin içine gen düzenleme paketlerini sunmak için lipid nanoparçacıklar oluşturdular. T hücreleri antikorların üretimine yardımcı olabilir, virüslerin çoğalmadan ve yayılmadan öncesinde enfekte olmuş olan hücreleri yok edebilir ve bağışıklık sisteminin diğer hücrelerini düzenleyip ortadan kaldırabilir.

Tipik olarak bulundukları dalak veya karaciğerde oluşturdukları nanoparçacıklar, T hücreleri ile kaynaşarak gen düzenleme içeriğini iletir ve sonrasında T hücresinin moleküler yapısını oluşturabilir veya davranışını değiştirebilir. Bu işlem bir aşı ile yapılacağı gibi, sadece bağışıklık sistemini eğitme sürecinde ilk adım değil, aslında hastalıklar ile daha iyi mücadele edecek şekilde tasarlama sürecinde ilk adımdır.

T hücresi genomlarını düzenlemek adına Xu’nun yaklaşımı, genomlarını değiştirmek için virüslerin kullanılması şimdiye kadar denenen yöntemlerden çok daha hedefli, verimli ve muhtemelen daha güvenlidir.

Xu, “T hücrelerini hedefleyerek, enfeksiyonlar ile mücadelede, kansere karşı korumayı, iltihaplanmayı ve otoimmüniteyi modüle etmede çok yönlü muazzam bir bağışıklık sisteminin bir dalına erişebiliriz” dedi.

Xu ve ekibi, lipid nanoparçacıkların vücuttaki hedeflerinin yolunu bulabilmesi için var olan mekanizmayı daha fazla araştırdı. Deneylerde akciğerlerdeki hücrelere yönelik, nanoparçacıkların enjeksiyondan sonra kan dolaşımındaki belirli proteinleri topladığını buldular.

Artık lipid nanoparçacıkların yüzeyine dahil edilen proteinler, nanoparçacıkların hedeflerine tutunmasına yardımcı olan ana bileşen haline geldi. Bu bilgiler, gelecekteki dağıtım parçacıklarının tasarımını iyileştirmeye yardımcı olabilir.

Bu sonuçlar fare modellerinde gösterilmiş olsa da Xu, insanlarda uygulama metodunun etkinliğini ve güvenliğini tespit etmek için daha fazla çalışma ve klinik denemeye ihtiyaç duyulacağı konusunda uyarıda bulundu.

Kaynak: phys.org