نانوروبات‌های جدید: انتقال مستقیم mRNA به نورون‌ها

پیشرفت‌های جدید در فناوری نانوذرات لیپیدی

مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا نانوذرات لیپیدی (LNPs) را که فناوری انقلابی پشت واکسن‌های mRNA COVID-19 هستند، به گونه‌ای تغییر داده‌اند که نه تنها بتوانند از سد خونی-مغزی (BBB) عبور کنند، بلکه به طور خاص به انواع خاصی از سلول‌ها، از جمله نورون‌ها، هدف‌گیری کنند. این پیشرفت گامی مهم به سوی درمان‌های نسل بعدی برای بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و پارکینسون محسوب می‌شود.

هدف‌گیری دقیق با استفاده از پپتیدها

در یک مقاله جدید در نشریه Nano Letters، محققان نشان می‌دهند که چگونه پپتیدها، که رشته‌های کوتاهی از آمینواسیدها هستند، می‌توانند به عنوان مولکول‌های هدف‌گیری دقیق عمل کنند. این امر به LNPs اجازه می‌دهد تا mRNA را به طور خاص به سلول‌های اندوتلیال که دیواره رگ‌های خونی مغز را پوشش می‌دهند و همچنین نورون‌ها منتقل کنند. این پیشرفت، گامی مهم در انتقال mRNA به انواع سلول‌هایی است که در درمان بیماری‌های نورودژنراتیو کلیدی خواهند بود؛ هرگونه درمانی باید اطمینان حاصل کند که mRNA به مکان صحیح می‌رسد.

پژوهش‌های قبلی توسط همین محققان ثابت کرده بود که LNPs می‌توانند از BBB عبور کرده و mRNA را به مغز منتقل کنند، اما تلاشی برای کنترل اینکه LNPs به کدام سلول‌ها هدف‌گیری می‌کنند، انجام نداده بودند. مایکل جی. میچل، استاد همکار در مهندسی زیستی و نویسنده ارشد مقاله، می‌گوید: “مقاله اول ما طراحی نانوذرات لیپیدی به عنوان یک proof-of-concept بود. این مانند این بود که نشان دهیم می‌توانیم یک بسته را از پنسیلوانیا به کالیفرنیا ارسال کنیم، اما هیچ ایده‌ای نداشتیم که در کالیفرنیا به کجا خواهد رسید. حالا با استفاده از پپتیدها، می‌توانیم بسته را به مقاصد خاصی که ویژگی‌های مشترکی دارند، مانند هر خانه‌ای با جعبه پستی قرمز، نشانه‌گذاری کنیم.”

چالش‌های دسترسی به مغز

عبور از BBB دشوار است زیرا این ساختار به گونه‌ای تکامل یافته که تقریباً هر مولکول خطرناک یا خارجی، از جمله بیشتر داروها، را بیرون نگه دارد. مولکول‌های mRNA نیز به دلیل اندازه بزرگشان قادر به نفوذ از این مانع نیستند، همان‌طور که بیشتر داروها نیز نمی‌توانند. BBB همچنین به طور فعال موادی را که خطرناک می‌داند، طرد می‌کند. امیلی هان، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه میچل و نویسنده اول مقاله، می‌گوید: “شما می‌توانید یک درمان را مستقیماً به مغز یا نخاع تزریق کنید، اما این روش‌ها بسیار تهاجمی هستند.”

از آنجا که BBB اجازه عبور مولکول‌های محلول در چربی (مانند الکل و THC که به همین دلیل این مواد بر مغز تأثیر می‌گذارند) را می‌دهد، برخی ترکیبات LNPs که به طور جزئی از همان خانواده ترکیبات چرب موجود در روغن‌های روزمره ساخته شده‌اند، می‌توانند به طور 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 بزرگی که مانند برچسب‌های زیستی عمل می‌کنند، متمرکز بوده است. هان می‌گوید: “زمانی که آنتی‌بادی‌ها را بر روی LNPs قرار می‌دهید، ممکن است ناپایدار و بزرگ‌تر شوند، که این امر عبور از مانع را بسیار دشوار می‌کند.”

پپتیدها: جایگزینی برای آنتی‌بادی‌ها

در مقایسه با آنتی‌بادی‌ها که می‌توانند صدها آمینو اسید طول داشته باشند، پپتیدها فقط شامل ده‌ها آمینو اسید هستند. اندازه کوچکتر آن‌ها نه تنها باعث می‌شود که بتوان آن‌ها را به تعداد زیاد روی نانوذرات لیپیدی (LNPs) قرار داد، بلکه تولید آن‌ها نیز ارزان‌تر است. همچنین، احتمال تجمع پپتیدها در حین فرمولاسیون LNP یا ایجاد واکنش‌های ایمنی ناخواسته نسبت به آنتی‌بادی‌ها بسیار کمتر است.

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

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 برابر تمام آن سیگنال‌های دیگر شناسایی کنیم.” زمانی که آن‌ها مطمئن شدند که پپتیدها به LNPها چسبیده‌اند، محققان باید تعیین می‌کردند که آیا LNPهای عملکردی‌شده با پپتید (pLNPها) واقعاً به اهداف مورد نظر در مدل‌های حیوانی رسیدند یا خیر. هان می‌گوید: “این کار واقعاً دشوار است، زیرا در مغز، انواع مختلفی از سلول‌ها و مقدار زیادی چربی وجود دارد که می‌تواند بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر بگذارد.” به مدت 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

گام بعدی تیم این است که تعیین کند چه نسبتی از نورون‌ها باید با pLNPها درمان شوند تا به طور معناداری علائم را کاهش دهند یا به طور بالقوه 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 تحویل 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 مرکشیک، مارشال پادیلا و جک‌لین لی از مهندسی پن و روهان پالانکی از مهندسی پن و بیمارستان کودکان فیلادلفیا هستند.