En los últimos años, las terapias celulares y genéticas se han mostrado muy prometedoras para el tratamiento del cáncer, la fibrosis quística, la diabetes, las enfermedades cardíacas, el VIH/SIDA y otras enfermedades difíciles de tratar. Pero la falta de formas efectivas de administrar tratamientos biológicos al cuerpo ha planteado una barrera importante para llevar estas nuevas terapias al mercado y, en última instancia, a los pacientes que más las necesitan.
Ahora, los biólogos sintéticos de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva plataforma flexible que resuelve parte de este enorme problema de entrega. Imitando los procesos naturales utilizados por los virus, el sistema de administración se une a las células objetivo y transfiere eficazmente los medicamentos al interior.
Los caballos de batalla detrás de esta nueva plataforma son las vesículas extracelulares (EV), pequeñas nanopartículas del tamaño de un virus que todas las células ya producen de forma natural. En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron el poderoso enfoque de la biología sintética para construir "programas" de ADN que, cuando se insertan en células "productoras", dirigen a esas células para que autoensamblen vehículos eléctricos personalizados con características de superficie útiles. Los programas también dirigen a las células para que produzcan y carguen los vehículos eléctricos con fármacos biológicos.
En experimentos de prueba de concepto, las partículas administraron con éxito fármacos biológicos (en este caso, agentes de edición de genes CRISPR que inutilizaron un receptor utilizado por el VIH) a las células T, que son notoriamente difíciles de atacar. Los investigadores también plantean la hipótesis de que el sistema debería funcionar con muchos fármacos y muchos tipos de células.
La investigación fue publicada hoy (27 de noviembre) en la revista Nature Biomedical Engineering. . Se trata del primer estudio que utiliza con éxito vehículos eléctricos para transportar carga a las células T.
"La revolución genómica ha transformado nuestra comprensión de las bases moleculares de muchas enfermedades, pero estos conocimientos no han dado como resultado nuevos medicamentos por una razón fundamental:carecemos de la tecnología necesaria para administrar medicamentos dirigidos a lugares específicos del cuerpo donde se necesitan. " dijo Joshua N. Leonard de Northwestern, quien dirigió el estudio.
"Estos desafíos de entrega compartidos nos están frenando. Al hacer disponibles plataformas de entrega ampliamente habilitadas, podemos eliminar una enorme cantidad de riesgos y costos al llevar nuevos medicamentos a ensayos clínicos o al mercado. En lugar de diseñar un nuevo sistema de entrega cada vez que una empresa fabrica un nuevo fármaco, esperamos que puedan utilizar plataformas modulares y reconfigurables como la nuestra, acelerando así el ritmo al que se desarrollan y evalúan las terapias genéticas y celulares".
Al reemplazar genes defectuosos o administrar genes o células nuevos y sanos a un paciente, las terapias genéticas y celulares son prometedoras para tratar una amplia gama de enfermedades. Utilizando un vehículo de administración, las terapias genéticas ingresan al cuerpo para transferir material genético a células específicas para tratar o prevenir enfermedades. Las terapias celulares utilizan un enfoque similar pero transfieren células completas, que normalmente se modifican fuera del cuerpo antes de ser administradas.
En los casos más exitosos, los vectores virales (que utilizan partes derivadas de virus pero que no pueden causar una infección) han servido como mecanismo de administración tanto para terapias celulares como genéticas. Pero esta estrategia tiene limitaciones. El sistema inmunológico a veces reconoce partes del virus como extrañas y bloquea dichos vectores antes de que entreguen su carga.
"Los virus tienen una capacidad natural para entrar en las células y transportar carga", dijo Leonard. "Tomar prestadas partes virales es una estrategia eficaz para lograr la entrega, pero estás algo limitado a los tipos de entrega para los que evolucionó el virus. Se necesita un trabajo de ingeniería sustancial para modificar esos sistemas y alterar sus funciones para cada aplicación. En esta historia , en su lugar intentamos imitar la estrategia que han desarrollado los virus, pero utilizamos nuevas 'partes' biológicas para superar algunas limitaciones de los vectores virales y, en última instancia, hacer posibles nuevas funcionalidades".
Para diseñar un vehículo multifuncional, los investigadores recurrieron a los vehículos eléctricos, que Leonard describió como "una pizarra en blanco". En todos los seres vivos (desde levaduras hasta plantas y humanos), las células eliminan naturalmente vehículos eléctricos, que según los investigadores desempeñan un papel importante en la comunicación entre las células y los procesos naturales como la función inmune.
"Estas partículas son eliminadas y absorbidas por las células todo el tiempo, tanto en procesos sanos como patológicos", dijo Leonard. "Por ejemplo, sabemos que las células cancerosas eliminan vehículos eléctricos, y eso parece ser parte del proceso por el cual el cáncer se propaga de un sitio a otro. Por otro lado, los vehículos eléctricos también transfieren muestras de patógenos invasores de células infectadas a células inmunes. , ayudando al cuerpo a organizar una respuesta efectiva."
Para la plataforma basada en vehículos eléctricos de Leonard, su equipo desarrolló y sintetizó moléculas de ADN personalizadas que se introdujeron en una célula productora. El ADN proporcionó instrucciones para que la célula productora produjera nuevas biomoléculas y luego las cargara en la superficie y el interior de los vehículos eléctricos. Esto generó efectivamente vehículos eléctricos adornados con características específicamente diseñadas y carga ya remolcada.
"Tratamos los vehículos eléctricos producidos por las células como esencialmente pizarras en blanco sobre las cuales podemos componer nuevas funciones diseñando esas células productoras para que expresen proteínas y ácidos nucleicos naturales o diseñados", dijo Leonard. "Estos alteran la función EV y pueden contener una carga terapéutica bioactiva".
Para tener éxito, los vehículos eléctricos deben apuntar a las células correctas, transferir su carga a esas células y evitar efectos secundarios, todo ello evitando al mismo tiempo el sistema inmunológico siempre alerta del paciente. En comparación con los virus, es probable que los vehículos eléctricos sean más capaces de evadir el rechazo del sistema inmunológico. Debido a que los vehículos eléctricos se pueden producir con materiales que se encuentran en gran medida en las propias células del paciente, es menos probable que el cuerpo trate las partículas como una sustancia extraña.
Para probar el concepto, Leonard y su equipo buscaron un objetivo atractivo pero resistente:las células T. Debido a que las células T ayudan naturalmente al cuerpo a combatir los gérmenes y las enfermedades, los investigadores han buscado mejorar las capacidades naturales de las células T para aplicaciones de inmunoterapia.
"La mayoría de las células están constantemente tomando muestras de pequeños fragmentos de su entorno", dijo el autor principal del estudio, Devin Stranford, graduado del laboratorio de Leonard y ahora científico de Syenex. "Pero, por alguna razón, las células T no hacen eso tanto. Por lo tanto, es un desafío administrar medicamentos a las células T porque no los absorben activamente. Hay que tener la biología correcta para que esos eventos de administración ocurrir."
En los experimentos, los investigadores diseñaron una célula productora para generar vehículos eléctricos cargados con Cas9, una proteína que forma parte del sistema CRISPR, combinada con una molécula de ARN diseñada para dirigirla a reconocer y alterar una secuencia específica de ADN en el genoma de una célula. Los investigadores introdujeron los vehículos eléctricos modificados en un cultivo de células T. Los vehículos eléctricos se unieron eficientemente a las células T y entregaron con éxito su carga, lo que llevó a una edición genética que inactivó el gen que codifica un receptor utilizado por el VIH para infectar las células T. Aunque el tratamiento de las infecciones por VIH no era un objetivo inmediato de este proyecto, este trabajo ilustra esa promesa, demostrando los tipos de nuevas funciones terapéuticas que permite la tecnología.
"Un objetivo clave de este trabajo fue utilizar métodos rigurosos para garantizar que la carga llegara hasta donde debía llegar", dijo Leonard. "Debido a que estamos realizando ediciones en el genoma de estas células, podemos utilizar tecnologías poderosas como la secuenciación de próxima generación para confirmar que esas ediciones exactas estaban presentes en las células receptoras, en la ubicación del genoma donde estaban previstas". /P>
Llamada GEMINI (Nanovesículas integradas multifuncionales codificadas genéticamente), la nueva plataforma representa un conjunto de tecnologías para diseñar células genéticamente para producir vehículos eléctricos multifuncionales para abordar diversas necesidades de los pacientes.
"Dependiendo del tratamiento, se podrían necesitar mil millones de vehículos eléctricos", afirmó. "Pero debido a que son tan pequeños, en realidad es una pequeña cantidad de material. Otros ya han demostrado que los vehículos eléctricos se pueden producir de maneras clínicamente traducibles a escala comercial. De hecho, un beneficio particular de codificar biológicamente las funciones de los vehículos eléctricos, como lo hemos hecho nosotros, es que toda la complejidad se centra en diseñar los programas de ADN. Una vez hecho esto, dichos procesos son fácilmente compatibles con los métodos de fabricación maduros y existentes".
A través de Syenex, Leonard espera utilizar la plataforma GEMINI, junto con otras tecnologías de biología sintética, para generar rápidamente los mejores vehículos de entrega que permitan a los desarrolladores, desde empresas académicas hasta empresas biotecnológicas maduras, diseñar nuevas células y genes que cambien vidas. terapias.
"Al demostrar la capacidad de codificar genéticamente composiciones de carga y superficie de nanovesículas con la plataforma GEMINI, podemos convertir un difícil problema de biología en un problema más sencillo de ingeniería de ADN", dijo Leonard. "Eso nos permite aprovechar las mejoras exponenciales en curso en la síntesis y secuenciación del ADN que han impulsado el crecimiento de la biología sintética. Somos optimistas en cuanto a que estos enfoques permitirán a los investigadores resolver los grandes desafíos de entrega y desarrollar tratamientos nuevos y mejorados que beneficien a una amplia gama de gama de pacientes."
Más información: Devin M. Stranford et al, Codificación genética de múltiples funcionalidades en vesículas extracelulares para la administración dirigida de productos biológicos a las células T, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI:10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x
Información de la revista: Ingeniería Biomédica de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Northwestern
