As nanopartículas lipídicas, ou LNPs, são mais conhecidas pelo seu papel na administração da vacina de mRNA contra a COVID-19, administrada a milhares de milhões de pessoas. Agora, os cientistas estão a expandir a sua utilização para além das vacinas. Os pesquisadores estão trabalhando para usar esses minúsculos transportadores para fornecer mRNA terapêutico às células para sistemas CRISPR projetados para tratar câncer, doenças inflamatórias e até mesmo corrigir mutações genéticas prejudiciais.
No entanto, o progresso foi retardado por desafios persistentes. Para que os LNPs funcionem dentro do corpo, eles devem integrar-se às membranas celulares e liberar sua carga. Embora este processo funcione eficientemente em experiências de laboratório, é muito menos eficaz em situações biológicas reais.
Cientistas descobrem uma solução simples de aminoácidos
Uma equipe de pesquisa da Biohub identificou uma maneira inesperadamente simples de melhorar esse processo. Em um estudo publicado pelo Dr. Medicina Translacional CientíficaDaniel Zhongjie Wang, Ph.D., e Shana O. Pesquisadores liderados por Kelly, Ph.D., mostraram que a adição de três aminoácidos comuns – metionina, arginina e serina – ao lado do LNP pode aumentar drasticamente o desempenho. A combinação aumentou a entrega de mRNA em até 20 vezes e aumentou a eficiência da edição do gene CRISPR de cerca de 25% para cerca de 90% após uma dose única.
“A edição genética e as terapias baseadas em mRNA desempenharão um papel cada vez maior na medicina futura, mas precisam de LNPs para alcançar e entrar nas células”, disse Kelly, presidente do BioHub e chefe do Chicago BioHub, onde os cientistas estão decodificando os processos inflamatórios que levam a uma ampla gama de doenças. “Qualquer formulação de LNP desenvolvida hoje poderia potencialmente beneficiar-se da nossa abordagem.”
A descoberta decorre da estratégia mais ampla da equipe de estudar a biologia sob condições que melhor reflitam o corpo humano. “Foi exatamente isso que nos trouxe aqui”, diz Wang, que lidera o grupo de ômicas espaço-temporais do BioHub. “Ao perguntar por que os LNPs agem de maneira tão diferente no ambiente fisiológico do corpo, encontramos uma resposta surpreendentemente simples que poderia tornar mais eficaz uma ampla gama de terapias de mRNA e de edição genética”.
Uma barreira metabólica dentro da célula
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar o desempenho do LNP concentrou-se no redesenho das nanopartículas. Os cientistas testaram centenas de novas combinações lipídicas e usaram inteligência artificial para explorar inúmeras formulações. Apesar desses esforços, os resultados clínicos permanecem desanimadores.
Os pesquisadores do BioHub adotaram uma abordagem diferente. Em vez de alterar o sistema de administração, investigaram se as próprias células estavam a limitar a absorção. Eles investigaram se era possível estimular as células a absorverem o LNP mais facilmente.
“A área dedicou muito esforço à engenharia de nanopartículas”, disse Wang. “Mas descobrimos que o próprio estado metabólico da célula é uma parte igualmente importante – e endereçável – da equação.”
O seu trabalho revelou que o metabolismo desempenha um papel fundamental. As células padrão cultivadas em laboratório são expostas a condições ricas em nutrientes que diferem significativamente daquelas dentro do corpo humano. Quando a equipe cultivou as células em um meio semelhante ao plasma sanguíneo humano, a absorção de LNP foi reduzida em 50 a 80 por cento.
Análises adicionais mostraram que várias vias metabólicas relacionadas com aminoácidos eram menos ativas nestas condições mais realistas. Isto sugere que as células do corpo operam com menos nutrientes disponíveis, o que limita a sua capacidade de absorver nanopartículas.
Uma solução simples com efeitos poderosos
Para resolver esta limitação, os investigadores desenvolveram um suplemento específico contendo metionina, arginina e serina. Quando esta mistura foi administrada juntamente com o LNP, os resultados foram surpreendentes. A produção de proteínas a partir de um determinado mRNA aumenta de 5 a 20 vezes em múltiplas células, tanto em experimentos de laboratório quanto em animais vivos.
A melhoria manteve-se em diferentes métodos de entrega – intramuscular, intratraqueal e intravenosa – e funcionou independentemente do desenho específico das nanopartículas ou do material genético entregue. Estudos adicionais mostraram que os aminoácidos melhoram uma via celular que permite que as nanopartículas entrem nas células de forma mais eficiente.
Avanços dramáticos em estudos com animais
A equipe testou a abordagem em modelos de doenças usando terapia de mRNA e edição de genes CRISPR.
Num modelo de rato com insuficiência hepática aguda induzida por paracetamol – a principal causa de insuficiência hepática induzida por medicamentos em pacientes humanos – os ratos tratados apenas com mRNA da hormona de crescimento entregue pelo LNP tiveram uma taxa de sobrevivência de apenas 33 por cento. Quando o mesmo tratamento é combinado com a suplementação de aminoácidos, a sobrevivência aumenta para 100%. Os níveis de proteínas terapêuticas aumentaram quase nove vezes, enquanto os indicadores de danos e inflamação no fígado caíram para níveis quase normais.
Em outro experimento, os pesquisadores colocaram elementos CRISPR-Cas9 nos pulmões de camundongos. Sem suplementação, a eficiência da edição genética variou de 20 a 30 por cento. Com misturas de aminoácidos, a eficácia aumenta entre 85 e 90 por cento após uma dose única. Este nível de melhoria pode ser particularmente importante para condições como a fibrose cística, onde a edição genética eficaz no tecido pulmonar é essencial.
Um caminho prático para o uso clínico
Um dos aspectos mais promissores desta descoberta é a facilidade de aplicá-la a tratamentos do mundo real. O suplemento utiliza aminoácidos que já são produzidos em grandes quantidades e são considerados seguros. Ao contrário de outras técnicas que requerem a modificação de nanopartículas ou a modificação genética de células, esta abordagem pode simplesmente ser adicionada às formulações existentes.
Ao concentrar-se na biologia celular em vez de redesenhar os sistemas de distribuição, os investigadores encontraram uma forma prática de desbloquear todo o potencial da terapia com mRNA e das tecnologias de edição genética.
