Un extenso experimento que probó los efectos inmunes de un amplio grupo de nanopartículas de ácido nucleico diseñadas en laboratorio no encontró un fuerte, respuesta inmune uniforme, como se había predicho. En lugar de, las pruebas encontraron respuestas variables y específicas de diferentes células inmunes, dependiendo de la forma y formulación de cada partícula, un hallazgo que puede alentar un mayor estudio del uso terapéutico de las partículas.

Además, los investigadores creen que pueden haber descubierto un sistema "auxiliar" para controlar la respuesta inmunitaria:un "alfabeto" molecular para comunicarse con el sistema inmunológico humano.

Los hallazgos fueron reportados recientemente por Enping Hong, Ankit Shah, y Marina Dobrovolskaia del Laboratorio Frederick para la Investigación del Cáncer, Emil Khisamutdinov de Ball State University y Justin Halman y Kirill Afonin de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte en la revista Nano letras .

La idea ha existido durante un tiempo de que segmentos seleccionados de ARN o ADN podrían usarse terapéuticamente (ácidos nucleicos terapéuticos) para afectar la función de genes o células. Desafortunadamente, En los ensayos clínicos, la mayoría de estas moléculas terapéuticas propuestas han demostrado tener un efecto secundario extremo:provocaron un fuerte, reacción a menudo fatal de las células inmunes del cuerpo humano.

Más recientemente, Los nanotecnólogos han propuesto diseñar nanopartículas autoensambladas con las secuencias de ARN o ADN potencialmente terapéuticas, combinar los efectos de varias secuencias en un fármaco dirigido, dando múltiples efectos en una sola partícula, en varias formas de diseñador:cuadrados, triangulos, cubitos, y otras estructuras. Sin embargo, estas partículas terapéuticas potencialmente poderosas se han probado con lentitud, porque los investigadores han teorizado que es probable que tengan los mismos efectos "inmunotóxicos" que los fragmentos naturales de ácido nucleico.

Sin embargo, algunos nanocientíficos cuestionaron si las reacciones inmunes proyectadas serían necesariamente el caso debido a las complejidades del reconocimiento del sistema inmunológico y las propiedades únicas creadas al ensamblar materiales tradicionales en nanopartículas de diversas formas y estructuras.

"Incluso si las nanopartículas de ácido nucleico están compuestas por componentes con toxicidades inmunológicas conocidas, una vez que los combina y los reformula, la nanoformulación se convierte en una bestia completamente diferente, "dijo Afonin, uno de los autores correspondientes del artículo.

"Nuestros hallazgos mostraron que, si bien algunas de las predicciones eran correctas, muchos estaban completamente equivocados, "señaló Afonin." No se puede predecir la inmunotoxicidad de las nanopartículas de ácido nucleico simplemente analizando las respuestas a los ADN y ARN producidos naturalmente. Obtuvimos algunos resultados inesperados ".

Para probar la inmunotoxicidad de las partículas y quizás encontrar pistas sobre los mecanismos involucrados en la respuesta de las células inmunes, Afonin y sus colegas seleccionaron una "biblioteca" de 25 nanopartículas de ácido nucleico de ADN o ARN diferentes diseñadas por investigadores en el campo. seleccionados cuidadosamente para "abordar todos los vínculos posibles" entre sus propiedades moleculares y las reacciones inmunes. La biblioteca incluyó una muestra representativa de planos (planos), partículas globulares y fibrosas (en forma de hilo), con diferentes tamaños y pesos moleculares, además de diferir en una variedad de atributos químicos críticos. Las partículas se introdujeron en las células inmunitarias (células mononucleares de sangre periférica) de la sangre de 60 donantes humanos únicos y se monitorizó la producción de 29 citocinas diferentes.

Los detalles de los hallazgos fueron reveladores con respecto a la inmunotoxicidad de las partículas porque la respuesta inmune varió. Pero los resultados también revelaron información sobre el comportamiento específico de varias células inmunes.

Un hallazgo fundamental fue que las nanopartículas de ácido nucleico "desnudas" (sin unir a otras moléculas biológicas) no causaron ninguna respuesta inmune, porque, el equipo encontró, a diferencia de los fragmentos naturales de ADN o ARN, las partículas construidas no podrían entrar en ninguna célula inmunitaria sin algún tipo de moléculas "portadoras" que permitieran su entrada. Efectivamente, Las nanopartículas de ácido nucleico simples son "invisibles" para el sistema inmunológico humano.

Una vez que las partículas se emparejaron con moléculas portadoras, sin embargo, pudieron entrar en las celdas, y obtuvo respuestas claras, como esperaban los investigadores. "La pregunta es cuando enviamos esta partícula dentro de la célula humana, que hace el celular, particularmente la célula inmunitaria, ", se preguntó Afonin." ¿Ve una forma en particular como una amenaza? "

Los resultados muestran que el tamaño de partícula, forma, Estructura 3-D (cubos, por ejemplo, comparado con cuadrados planos), Composición de ADN o ARN, y la naturaleza química de cómo se ensamblaron las partículas ("conectividad") tuvieron efectos distintivos sobre la respuesta inmune y sobre qué respondieron las células inmunes.

Entre los detalles descubiertos se encuentra el hallazgo de que las partículas compuestas de ADN tienden a causar menos respuesta inmune que las de ARN. RNA rings (flat structures) and RNA fibers caused less immune response than RNA cubes (globular structures). In further detail, DNA cubes induced the cytokine production of type I interferons alpha and omega, but only RNA cubes could induce type I interferon-beta or type III interferon-lambda. The different cytokines produced indicated that the differences in particles had a selective effect on that type of immune cell affected.

While the findings are scientifically important, the researchers stress that the new information has implications for future practical applications.

"Our findings highlight the key parameters that inform the way nucleic acid nanoparticles interact with the immune system, " the paper states. "These new insights improve the current understanding nucleic acid nanoparticles immunostimulatory properties, and pave the way to development of a new auxiliary molecular language that can be expressed through the script of rationally designed nucleic acid nanoparticles."

"We have an alphabet to directly communicate with the immune system, " said Afonin. "Now we have to figure out the syntax of this new language; how to assemble these letters into the words, put sentences together, combine them into the paragraphs, and eventually, how to write a story. But right now we have an alphabet—it's just the beginning, but I think this is fundamental work."

Afonin points out that an "alphabet" that describes immune response to specific particle designs may naturally be useful for avoiding adverse reactions, but has more potential for situations where a response is actually desired (in the case of vaccines, for example) and has still more possibilities when treatment requires specific messaging to trigger a very specific immune response.

"If you need to deliver a drug, you may want the carrier to be non-immunogenic. We can tell you exactly which particle you can use for that, " he said. "But if you want to stimulate the immune response, for example to activate the immune system against cancer... then you can use certain particles which will activate the immune response but avoid inflammation. We can produce interferons, but not inflammatory cytokines, por ejemplo.

"This is like sharpshooting, " he explained. "You will be shooting for a particular cytokine, without touching others. This is like a letter or a word, like a text message that we send to the immune system. The immune system will read your message and text back with the interferon."