نانوذرات هوشمند: بهترین روش انتقال mRNA به نورون‌ها

مهندسان پن: پیشرفت در نانوذرات لیپیدی برای درمان بیماری‌های عصبی

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

نقش پپتیدها در هدف‌گذاری دقیق

در مقاله‌ای جدید در نشریه Nano Letters، محققان نشان می‌دهند که چگونه پپتیدها — زنجیره‌های کوتاه آمینواسید — می‌توانند به عنوان مولکول‌های هدف‌گذاری دقیق عمل کنند، و به LNPs این امکان را بدهند که mRNA را به طور خاص به سلول‌های اندوتلیالی که دیواره رگ‌های خونی مغز را پوشش می‌دهند و همچنین نورون‌ها برسانند. این پیشرفت، گامی مهم در تحویل mRNA به نوع سلول‌هایی است که در درمان بیماری‌های عصبی تخریب‌کننده کلیدی خواهند بود؛ هر درمانی از این دست نیاز دارد که mRNA به مکان صحیح برسد.

کارهای قبلی همین محققان نشان داد که LNPs می‌توانند از BBB عبور کنند و mRNA را به مغز برسانند، اما تلاش نکردند که مشخص کنند LNPs به کدام سلول‌ها هدف‌گذاری می‌کنند. “مقاله اول ما طراحی نانوذرات لیپیدی به عنوان proof-of-concept بود”، می‌گوید مایکل جی. میچل، استاد مشارک در مهندسی زیستی و نویسنده ارشد مقاله. “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 خاص با ویژگی‌های مشترک، مانند هر خانه‌ای با جعبه پستی قرمز، نشانی کنیم.”

چالش دسترسی به مغز

عبور از BBB دشوار است زیرا این ساختار برای جلوگیری از ورود تقریباً هر مولکول خطرناک یا خارجی، از جمله بیشتر داروها، تکامل یافته است؛ مولکول‌های mRNA به قدری بزرگ هستند که نمی‌توانند از این مانع عبور کنند، همان‌طور که بیشتر داروها نیز نمی‌توانند. همچنین BBB به طور فعال مواد را که خطرناک می‌داند، طرد می‌کند. “شما می‌توانید یک درمان را مستقیماً به مغز یا ستون فقرات تزریق کنید، اما این روش‌ها بسیار تهاجمی هستند”، می‌گوید امیلی هان، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه میچل و نویسنده اول مقاله. زیرا 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 LNP که به طور جزئی از همان خانواده ترکیبات چربی موجود در روغن‌های روزمره ساخته شده‌اند، می‌توانند به طور غیرمستقیم به مغز نفوذ کنند.

پپتیدها در مقابل آنتی‌بادی‌ها

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

پپتیدها در مقابل آنتی‌بادی‌ها: مزایای استفاده از پپتیدها در فرمولاسیون LNP

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 بتوان آنها را به تعداد زیاد روی LNPها قرار داد، بلکه هزینه تولیدشان نیز کمتر است. همچنین، پپتیدها به مراتب کمتر از آنتی‌بادی‌ها در حین فرمولاسیون LNP تجمع می‌کنند یا واکنش‌های ایمنی ناخواسته را تحریک می‌کنند.

آغاز تحقیقات: برخورد غیرمنتظره

انتخاب استفاده از پپتیدها با یک ملاقات 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 او در برابر 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 امیدوارکننده‌ام برخوردم”، که مولکولی به نام RVG29 است، یک بخش ۲۹ آمینو اسیدی از آن پروتئین.

آزمایش مفهوم

برای تأیید اینکه پپتیدها به درستی عمل می‌کنند، محققان ابتدا باید تأیید می‌کردند که آنها به LNPها چسبیده‌اند. هان می‌گوید: “LNPهای ما یک مخلوط 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.” پس از اینکه آنها متوجه 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 رسیده‌اند یا خیر. هان می‌گوید: “این کار واقعاً دشوار است، زیرا در مغز، انواع مختلفی از سلول‌ها و مقدار زیادی چربی وجود دارد که می‌تواند با اندازه‌گیری‌ها تداخل کند.” هان به مدت بیش از شش ماه 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 علائم را به طور معناداری کاهش دهند یا به طور بالقوه بیماری‌های عصبی را درمان کنند. میچل می‌پرسد: “با بازگشت به همان تشبیه، آیا ما باید اینها را به هر خانه‌ای با صندوق پستی قرمز بفرستیم یا فقط ۱۰٪ از آنها؟ آیا ۱۰٪ از نورون‌ها کافی خواهد بود؟” پاسخ به این سوال به توسعه استراتژی‌های تحویل حتی کارآمدتر کمک خواهد کرد و وعده درمان‌های مبتنی بر mRNA برای بیماری‌های آلزایمر، پارکینسون و سایر بیماری‌های مغزی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

این مطالعه در دانشگاه پنسیلوانیا در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی انجام شده و توسط مؤسسه‌های 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 تان، دونگیون کیم، آماندا موری، کلسه سوینگل، الکس همیلتون، کایتلین مرکشیچ، مارشال پادیا و جکولین لی از پن مهندسی و روهان پالانکی از پن مهندسی و بیمارستان کودکان فیلادلفیا هستند.