W świecie nowoczesnej medycyny niewiele technologii budzi tyle nadziei i otwiera tyle możliwości co CRISPR, rewolucyjne narzędzie do edycji genów. Zdolność do precyzyjnego "pisania" i "usuwania" kodu genetycznego oferuje potencjał do wyeliminowania chorób dziedzicznych, walki z rakiem i leczenia schorzeń, które do niedawna uważano za nieuleczalne. Jednak pomimo ogromnych obietnic, pełne zastosowanie tej technologii napotyka na jedną fundamentalną przeszkodę: bezpieczne i skuteczne dostarczenie mechanizmu CRISPR do komórek docelowych w ludzkim ciele. Teraz zespół chemików z Northwestern University opracował innowacyjną nanostrukturę, która może stanowić klucz do odblokowania pełnego potencjału terapeutycznego CRISPR.

Przeszkoda hamująca rewolucję medyczną

Aby system CRISPR mógł wykonać swoje zadanie – czy to wyłączenie wadliwego genu, naprawa mutacji, czy wstawienie nowego materiału genetycznego – jego kluczowe elementy muszą dotrzeć w nienaruszonym stanie na właściwe miejsce. Te elementy obejmują enzym Cas9, który działa jak molekularne nożyczki, przewodnie RNA (gRNA), które kieruje te nożyczki do dokładnej lokalizacji w genomie, a często także matrycę DNA do naprawy, którą komórka wykorzystuje jako wzór do korekty. Problem polega na tym, że ten złożony ładunek molekularny nie może samodzielnie przeniknąć przez błonę komórkową. Potrzebuje nośnika do dostarczenia.

Obecnie w badaniach i próbach klinicznych najczęściej stosuje się dwie metody dostarczania. Pierwszą są zmodyfikowane wektory wirusowe. Wirusy z natury są niezwykle biegłe we wprowadzaniu swojego materiału genetycznego do komórek, co czyni je bardzo skutecznymi "kurierami". Jednak ich stosowanie niesie ze sobą znaczne ryzyko. Mogą wywołać silną odpowiedź immunologiczną organizmu, co może prowadzić do niebezpiecznych reakcji zapalnych. Istnieje również obawa przed niepożądaną integracją wirusowego DNA z genomem pacjenta, co może mieć nieprzewidywalne długoterminowe konsekwencje.

Drugą, bezpieczniejszą alternatywą są nanocząsteczki lipidowe (LNP). Są to maleńkie pęcherzyki tłuszczu, które mogą otoczyć i chronić komponenty CRISPR. To właśnie ta technologia stała się znana na całym świecie, ponieważ jest wykorzystywana do dostarczania mRNA w szczepionkach przeciwko COVID-19. Chociaż są znacznie bezpieczniejsze od wirusów, cząsteczki LNP są dość nieefektywne. Duża ich część nigdy nie dociera do komórek docelowych, a te, którym się to udaje, często zostają uwięzione w komórkowych przedziałach zwanych endosomami. Z tych "komórkowych więzień" ładunek jest trudny do uwolnienia, co oznacza, że tylko niewielki procent mechanizmu CRISPR ostatecznie dociera do jądra komórkowego, gdzie ma wykonać swoją pracę.

Rewolucyjne rozwiązanie: Sferyczne kwasy nukleinowe otoczone lipidami

Aby przezwyciężyć te niedociągnięcia, zespół pod kierownictwem pioniera nanomateriałów Chada A. Mirkina z Northwestern University opracował zupełnie nowy rodzaj nanostruktury. Nazwali ją nanocząsteczką lipidową sferycznego kwasu nukleinowego, w skrócie LNP-SNA. Struktury te stanowią hybrydę, która łączy w sobie to, co najlepsze z obu światów: bezpieczeństwo LNP i zaawansowane możliwości sferycznych kwasów nukleinowych (SNA), technologii wcześniej wynalezionej i rozwiniętej właśnie przez laboratorium Mirkina.

Podstawę LNP-SNA stanowi rdzeń z nanocząsteczki lipidowej, wewnątrz której bezpiecznie zapakowany jest kompletny zestaw narzędzi CRISPR – enzymy Cas9, przewodnie RNA i matryca DNA. Kluczowa innowacja leży w tym, co znajduje się na powierzchni. Rdzeń jest gęsto pokryty krótkimi, specjalnie zaprojektowanymi łańcuchami DNA, które tworzą kulistą, trójwymiarową strukturę. Ta otoczka DNA pełni wieloraką i kluczową rolę. Po pierwsze, działa jako tarcza, która chroni cenny ładunek przed degradacją w krwiobiegu. Po drugie, co jeszcze ważniejsze, otoczka ta aktywnie komunikuje się z komórkami. Komórki na swojej powierzchni mają receptory, które rozpoznają DNA, dzięki czemu znacznie łatwiej i aktywniej "wchłaniają" cząsteczki LNP-SNA do swojego wnętrza. Ponadto, sekwencje DNA w otoczce można precyzyjnie dostosować, aby celować w określone typy komórek lub tkanek, co czyni dostarczanie bardziej selektywnym i zmniejsza potencjalne skutki uboczne na zdrowe komórki.

Nanomedycyna strukturalna: Kształt jest ważniejszy niż składniki

Ten przełom doskonale ilustruje zasady nanomedycyny strukturalnej, rozwijającej się dziedziny nauki, której prekursorem jest właśnie profesor Mirkin. Podstawową ideą tej dziedziny jest to, że aktywność biologiczna i skuteczność nanomateriału zależą nie tylko od jego składu chemicznego, ale w decydującym stopniu od jego trójwymiarowej architektury i kształtu. Innymi słowy, sposób, w jaki cząsteczki są ułożone w przestrzeni, może radykalnie zmienić sposób interakcji nanomateriału z systemami biologicznymi.

W przypadku LNP-SNA sama zmiana z liniowej, niezorganizowanej powierzchni standardowych LNP na gęsto upakowaną, sferyczną strukturę łańcuchów DNA na SNA drastycznie poprawia sposób, w jaki komórki rozpoznają i internalizują cząsteczkę. "Proste zmiany w strukturze cząsteczki mogą radykalnie zmienić to, jak dobrze komórka ją akceptuje", wyjaśnia Mirkin. "Architektura SNA jest rozpoznawana przez prawie każdy typ komórki, dlatego komórki aktywnie pobierają SNA i szybko je internalizują." Ta zasada otwiera drzwi do projektowania inteligentniejszych i skuteczniejszych nanoleków do szerokiego spektrum zastosowań.

Imponujące wyniki, które obiecują nową erę

Aby przetestować swoją nową platformę, badacze przeprowadzili serię eksperymentów na różnych typach komórek ludzkich i zwierzęcych w hodowli. Testy objęły komórki skóry, białe krwinki, ludzkie komórki macierzyste szpiku kostnego oraz komórki ludzkiej nerki. Wyniki, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, były pod każdym względem niezwykłe.

Wykazano, że struktury LNP-SNA wnikały do komórek do trzech razy skuteczniej w porównaniu ze standardowymi systemami LNP stosowanymi na przykład w szczepionkach. Równie ważne jest to, że powodowały znacznie mniejszą toksyczność komórkową, co jest kluczowym czynnikiem dla bezpieczeństwa każdej przyszłej terapii. Najbardziej imponujący był wzrost samej skuteczności edycji genetycznej. Nowy system potroił wydajność CRISPR. Co więcej, gdy celem było nie tylko "wycięcie" genu, ale dokonanie precyzyjnej naprawy sekwencji genetycznej przy użyciu matrycy DNA, platforma LNP-SNA poprawiła wskaźnik powodzenia o ponad 60% w stosunku do istniejących metod. Ten aspekt ma kluczowe znaczenie w leczeniu chorób spowodowanych specyficznymi mutacjami, gdzie konieczne jest poprawienie, a nie tylko usunięcie genu.

Od laboratorium do pacjenta: Droga do zastosowania klinicznego

Te obiecujące wyniki otwierają drogę do bezpieczniejszych i bardziej niezawodnych leków genetycznych. Następnym krokiem dla zespołu Mirkina jest dalsza walidacja systemu w wielu modelach chorób in vivo na zwierzętach, aby potwierdzić jego skuteczność i bezpieczeństwo w złożonym środowisku żywego organizmu. Ponieważ platforma jest modułowa, badacze mogą ją łatwo dostosować do różnych celów i zastosowań terapeutycznych, po prostu zmieniając narzędzia CRISPR wewnątrz rdzenia lub docelowe sekwencje DNA na powierzchni.

Potencjał tej technologii został dostrzeżony także poza kręgami akademickimi. Firma biotechnologiczna Flashpoint Therapeutics, powstała w wyniku badań na Northwestern University, już pracuje nad komercjalizacją tej technologii w celu jak najszybszego przejścia do fazy badań klinicznych na ludziach. Poprzez połączenie dwóch niezwykle potężnych biotechnologii – CRISPR i sferycznych kwasów nukleinowych – stworzono strategię, która ma potencjał, by wreszcie uwolnić pełną moc edycji genetycznej i wprowadzić medycynę w nową erę spersonalizowanych i leczniczych terapii.