نانوذرات هوشمند: انتقال mRNA به سلول‌های عصبی

تحولی در فناوری نانوذرات لیپیدی برای درمان بیماری‌های عصبی

مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا نانوذرات لیپیدی (LNPs) را که فناوری انقلابی پشت واکسن‌های mRNA COVID-19 هستند، تغییر داده‌اند تا نه تنها بتوانند از مانع خون و مغز (BBB) عبور کنند، بلکه به نوع خاصی از سلول‌ها، از جمله نورون‌ها، هدف‌گیری کنند. این پیشرفت گامی مهم به سوی درمان‌های نسل بعدی برای بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و پارکینسون به شمار می‌آید.

هدف‌گیری دقیق با استفاده از پپتیدها

در مقاله‌ای جدید در نشریه Nano Letters، محققان نشان می‌دهند که چگونه پپتیدها — رشته‌های کوتاه اسیدهای آمینه — می‌توانند به عنوان مولکول‌های هدف‌گیری دقیق عمل کنند و به LNPs این امکان را می‌دهند که mRNA را به‌طور خاص به سلول‌های اندوتلیالی که دیواره رگ‌های مغز را پوشش می‌دهند و همچنین نورون‌ها منتقل کنند. این پیشرفت، گامی مهم در انتقال mRNA به نوع سلول‌هایی است که در درمان بیماری‌های عصبی تخریب‌گر کلیدی خواهند بود؛ هرگونه درمانی باید اطمینان حاصل کند که mRNA به مکان صحیح می‌رسد.

کارهای قبلی همین محققان نشان داده بود که LNPs می‌توانند از BBB عبور کرده و mRNA را به مغز منتقل کنند، اما هنوز تلاشی برای کنترل اینکه LNPs به کدام سلول‌ها هدف‌گیری می‌کنند، انجام نداده بودند. مایکل جی. میچل، استاد همکار در مهندسی زیستی و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: “مقاله اول ما یک طراحی نانوذره لیپیدی به عنوان اثبات مفهوم بود. این مانند این بود که نشان دهیم می‌توانیم یک بسته را از پنسیلوانیا به کالیفرنیا ارسال کنیم، اما نمی‌دانستیم در کالیفرنیا به کجا خواهد رسید. حالا با استفاده از پپتیدها، می‌توانیم بسته را به مقاصد خاصی با ویژگی‌های مشترک، مانند هر خانه‌ای با جعبه پستی قرمز، نشانی دهیم.”

چالش دسترسی به مغز

عبور از BBB دشوار است زیرا این ساختار به گونه‌ای تکامل یافته است که تقریباً هر مولکول خطرناک یا خارجی، از جمله بیشتر داروها را از خود دور نگه دارد؛ مولکول‌های mRNA به اندازه‌ای بزرگ هستند که نمی‌توانند از این مانع عبور کنند، مانند بیشتر داروها. همچنین BBB به‌طور فعال موادی را که خطرناک می‌داند، طرد می‌کند. امیلی هان، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه میچل و نویسنده اول این مقاله می‌گوید: “شما می‌توانید یک درمان را مستقیماً به مغز یا ستون فقرات تزریق کنید، اما این روش‌ها بسیار تهاجمی هستند.”

از آنجا که BBB اجازه عبور مولکول‌های محلول در چربی را می‌دهد (مانند الکل و THC که به همین دلیل این مواد بر مغز تأثیر می‌گذارند)، برخی فرمولاسیون‌های LNPs که به‌طور جزئی از همان خانواده ترکیبات چربی موجود در روغن‌های روزمره ساخته شده‌اند، می‌توانند به‌طور غیرمستقیم به مغز نفوذ کنند.

پپتیدها در مقابل آنتی‌بادی‌ها

تا کنون، بیشتر تحقیقات در زمینه هدف‌گیری ارگان‌های خاص با LNPs بر ترکیب آن‌ها با آنتی‌بادی‌ها، پروتئین‌های بزرگ که مانند برچسب‌های نام‌گذاری بیولوژیکی عمل می‌کنند، متمرکز بوده است. هان می‌گوید: “وقتی آنتی‌بادی‌ها را روی LNPs قرار می‌دهید، ممکن است ناپایدار و بزرگ‌تر شوند، که این امر عبور از مانع را بسیار دشوار می‌کند.”

پپتیدها: جایگزینی برای آنتی‌بادی‌ها

برخلاف آنتی‌بادی‌ها که می‌توانند صدها آمینو اسید طول داشته باشند، پپتیدها تنها شامل ده‌ها آمینو اسید هستند. اندازه کوچکتر آن‌ها نه تنها باعث می‌شود که به راحتی بتوان آن‌ها را به تعداد زیاد روی نانوذرات لیپیدی (LNP) قرار داد، بلکه تولید آن‌ها نیز هزینه کمتری دارد. همچنین، پپتیدها به مراتب کمتر از آنتی‌بادی‌ها در حین فرموله‌سازی LNP تجمع پیدا می‌کنند یا واکنش‌های ایمنی ناخواسته ایجاد می‌کنند.

آغاز تحقیق

استفاده از پپتیدها با یک برخورد غیرمنتظره بین «هان» و یک خفاش که به اتاقش پرواز کرد، آغاز شد. این حادثه ممکن است او را در معرض ویروس هاری قرار داده باشد. در حین تحقیق درباره واکسن‌هایی که علیه این بیماری دریافت کرده بود، هان متوجه شد که یکی از راه‌های عبور ویروس هاری از سد خونی مغز (BBB)، از طریق گلیکوپروتئین این ویروس است. هان می‌گوید: “سپس به یکی از پپتیدهای هدف‌گیری بسیار امیدوارکننده‌ام برخورد کردم”، که مولکولی به نام RVG29 است؛ یک بخش ۲۹ آمینو اسیدی از آن پروتئین.

آزمایش مفهوم

برای تأیید عملکرد پپتیدها، محققان ابتدا باید تأیید می‌کردند که آن‌ها به LNPها چسبیده‌اند. هان می‌گوید: “LNPهای ما ترکیبی پیچیده از اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و پپتیدها هستند. ما باید روش‌های کمی‌سازی را بهینه‌سازی می‌کردیم تا پپتیدها را در میان تمام آن سیگنال‌های دیگر شناسایی کنیم.” پس از اینکه مطمئن شدند پپتیدها به LNPها چسبیده‌اند، محققان باید تعیین می‌کردند که آیا LNPهای عملکردی‌شده با پپتید (pLNP) واقعاً به اهداف مورد نظر در مدل‌های حیوانی می‌رسند یا خیر. هان می‌گوید: “این کار واقعاً دشوار است، زیرا در مغز، انواع مختلف سلول‌ها و مقدار زیادی چربی وجود دارد که می‌تواند با اندازه‌گیری‌ها تداخل کند.” برای بیش از شش ماه، هان با دقت پروتکلی را توسعه داد تا با احتیاط بافت مغز را جدا کند، تقریباً مانند یک مکانیک که موتور را باز می‌کند.

جهت‌گیری‌های آینده

گروه بعدی قصد دارد تعیین کند که چه نسبتی از نورون‌ها باید با pLNPها درمان شوند تا به طور معناداری علائم را کاهش دهند یا احتمالاً بیماری‌های عصبی را درمان کنند. میچل می‌پرسد: “با بازگشت به همان تشبیه، آیا باید این‌ها را به هر خانه‌ای با جعبه پستی قرمز ارسال کنیم، یا فقط ۱۰٪ از آن‌ها؟ آیا ۱۰٪ از نورون‌ها کافی خواهد بود؟” پاسخ به این سؤال راهنمای توسعه استراتژی‌های تحویلی حتی کارآمدتر خواهد بود و وعده درمان‌های مبتنی بر mRNA برای بیماری‌های آلزایمر، پارکینسون و سایر بیماری‌های مغزی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

این مطالعه در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده و توسط مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده (DP2 TR002776)، بنیاد بوروز ولکام، بنیاد ملی علوم ایالات متحده (CBET-2145491) و انجمن سرطان آمریکا (RSG-22-122-01-ET) حمایت شده است. نویسندگان همکار دیگر شامل سوفیا تانگ، دونگیون کیم، آماندا موری، کلسه سوینگل، الکس همیلتون، کایتلین مرکیچ، مارشال پادیلا و جکولین لی از پن مهندسی و روهان پالانکی از پن مهندسی و بیمارستان کودکان فیلادلفیا هستند.