U svijetu moderne medicine, malo koja tehnologija budi toliko nade i otvara toliko mogućnosti kao CRISPR, revolucionarni alat za uređivanje gena. Sposobnost preciznog "pisanja" i "brisanja" genetskog koda nudi potencijal za iskorjenjivanje nasljednih bolesti, borbu protiv karcinoma i liječenje stanja koja su se donedavno smatrala neizlječivima. Međutim, unatoč ogromnom obećanju, puna primjena ove tehnologije suočava se s jednom fundamentalnom preprekom: sigurnom i učinkovitom dostavom CRISPR mehanizma do ciljanih stanica u ljudskom tijelu. Sada, tim kemičara sa Sveučilišta Northwestern razvio je inovativnu nanostrukturu koja bi mogla predstavljati ključ za otključavanje punog terapijskog potencijala CRISPR-a.

Prepreka koja koči medicinsku revoluciju

Da bi CRISPR sustav mogao obaviti svoj zadatak – bilo da se radi o izbacivanju neispravnog gena, popravljanju mutacije ili umetanju novog genetskog materijala – njegovi ključni dijelovi moraju stići netaknuti na pravo mjesto. Ti dijelovi uključuju enzim Cas9, koji funkcionira kao molekularne škare, vodeću RNA (gRNA) koja te škare usmjerava na točnu lokaciju unutar genoma, te često i DNK predložak za popravak koji stanica koristi kao uzorak za ispravak. Problem je što ovaj kompleksan molekularni teret ne može samostalno prodrijeti kroz staničnu membranu. Potrebno mu je vozilo za dostavu.

Trenutno se u istraživanjima i kliničkim ispitivanjima najčešće koriste dvije metode dostave. Prva su modificirani virusni vektori. Virusi su, po svojoj prirodi, izuzetno vješti u ubacivanju svog genetskog materijala u stanice, što ih čini vrlo efikasnim "kuririma". Ipak, njihova upotreba nosi značajne rizike. Mogu izazvati snažan imunosni odgovor organizma, što može dovesti do opasnih upalnih reakcija. Također postoji bojazan od neželjene integracije virusnog DNK u genom pacijenta, što može imati nepredvidive dugoročne posljedice.

Druga, sigurnija alternativa su lipidne nanočestice (LNP). Riječ je o sićušnim mjehurićima masti koji mogu obaviti i zaštititi CRISPR komponente. Upravo je ova tehnologija postala globalno poznata jer se koristi za dostavu mRNA u cjepivima protiv bolesti COVID-19. Iako su znatno sigurnije od virusa, LNP čestice su prilično neučinkovite. Velik dio njih nikada ne uspije doći do ciljanih stanica, a one koje uspiju često ostanu zarobljene unutar staničnih odjeljaka zvanih endosomi. Iz tih "staničnih zatvora" teret se teško oslobađa, što znači da samo mali postotak CRISPR mehanizma na kraju stigne do stanične jezgre gdje treba obaviti svoj posao.

Revolucionarno rješenje: Sferične nukleinske kiseline obložene lipidima

Kako bi prevladali ove nedostatke, tim predvođen nanomaterijalnim pionirom Chadom A. Mirkinom sa Sveučilišta Northwestern razvio je potpuno novu vrstu nanostrukture. Nazvali su je lipidna nanočestica sferične nukleinske kiseline, ili skraćeno LNP-SNA. Ove strukture predstavljaju hibrid koji spaja najbolje od oba svijeta: sigurnost LNP-a i napredne sposobnosti sferičnih nukleinskih kiselina (SNA), tehnologije koju je prethodno izumio i razvio upravo Mirkinov laboratorij.

Osnovu LNP-SNA čini jezgra od lipidne nanočestice, unutar koje je sigurno zapakiran kompletan set alata za CRISPR – enzimi Cas9, vodeća RNA i DNK predložak. Ključna inovacija leži u onome što se nalazi na površini. Jezgra je gusto obložena kratkim, posebno dizajniranim lancima DNK, koji formiraju kuglastu, trodimenzionalnu strukturu. Ovaj DNK omotač ima višestruku i presudnu ulogu. Prvo, djeluje kao štit koji štiti dragocjeni teret od razgradnje u krvotoku. Drugo, i još važnije, ovaj omotač aktivno komunicira sa stanicama. Stanice na svojoj površini imaju receptore koji prepoznaju DNK, zbog čega puno lakše i aktivnije "usisavaju" LNP-SNA čestice u svoju unutrašnjost. Osim toga, sekvence DNK u omotaču mogu se precizno prilagoditi tako da ciljaju specifične vrste stanica ili tkiva, čime se dostava čini selektivnijom i smanjuju se potencijalni učinci na zdrave stanice.

Strukturna nanomedicina: Oblik je važniji od sastojaka

Ovaj proboj savršeno ilustrira principe strukturne nanomedicine, rastućeg znanstvenog polja čiji je začetnik upravo profesor Mirkin. Osnovna ideja ovog polja jest da biološka aktivnost i učinkovitost nanomaterijala ne ovise samo o njegovom kemijskom sastavu, već presudno ovise o njegovoj trodimenzionalnoj arhitekturi i obliku. Drugim riječima, način na koji su molekule posložene u prostoru može dramatično promijeniti kako nanomaterijal stupa u interakciju s biološkim sustavima.

U slučaju LNP-SNA, sama promjena iz linearne, neorganizirane površine standardnih LNP-a u gusto zbijenu, sferičnu strukturu DNK lanaca na SNA drastično poboljšava način na koji stanice prepoznaju i internaliziraju česticu. "Jednostavne promjene u strukturi čestice mogu dramatično promijeniti koliko je dobro stanica prihvaća", objašnjava Mirkin. "SNA arhitekturu prepoznaje gotovo svaki tip stanice, stoga stanice aktivno preuzimaju SNA i brzo ih internaliziraju." Ovaj princip otvara vrata dizajniranju pametnijih i učinkovitijih nanolijekova za širok spektar primjena.

Impresivni rezultati koji obećavaju novu eru

Kako bi testirali svoju novu platformu, istraživači su proveli niz eksperimenata na različitim vrstama ljudskih i životinjskih stanica u kulturi. Testiranja su obuhvatila stanice kože, bijele krvne stanice, ljudske matične stanice koštane srži te stanice ljudskog bubrega. Rezultati, objavljeni u uglednom časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, bili su izvanredni u svakom pogledu.

Pokazalo se da su LNP-SNA strukture ulazile u stanice do tri puta učinkovitije u usporedbi sa standardnim LNP sustavima koji se koriste, primjerice, u cjepivima. Jednako važno, uzrokovale su znatno manju staničnu toksičnost, što je ključan faktor za sigurnost bilo koje buduće terapije. Najimpresivniji je bio porast same učinkovitosti genetskog uređivanja. Novi sustav je utrostručio efikasnost CRISPR-a. Nadalje, kada je cilj bio ne samo "izrezati" gen, već izvršiti precizan popravak genetske sekvence koristeći DNK predložak, LNP-SNA platforma je poboljšala stopu uspješnosti za više od 60% u odnosu na postojeće metode. Ovaj aspekt je od vitalnog značaja za liječenje bolesti uzrokovanih specifičnim mutacijama, gdje je potrebno ispraviti, a ne samo ukloniti gen.

Od laboratorija do pacijenta: Put prema kliničkoj primjeni

Ovi obećavajući rezultati otvaraju put za sigurnije i pouzdanije genetske lijekove. Sljedeći korak za Mirkinov tim je daljnja validacija sustava u višestrukim in vivo modelima bolesti na životinjama, kako bi se potvrdila njegova učinkovitost i sigurnost u složenom okruženju živog organizma. Budući da je platforma modularna, istraživači je mogu lako prilagoditi za različite ciljeve i terapijske primjene, jednostavnom promjenom CRISPR alata unutar jezgre ili ciljanih sekvenci DNK na površini.

Potencijal ove tehnologije prepoznat je i izvan akademskih krugova. Biotehnološka tvrtka Flashpoint Therapeutics, proizašla iz istraživanja na Sveučilištu Northwestern, već radi na komercijalizaciji ove tehnologije s ciljem njenog što bržeg prelaska u fazu kliničkih ispitivanja na ljudima. Spajanjem dviju iznimno moćnih biotehnologija – CRISPR-a i sferičnih nukleinskih kiselina – stvorena je strategija koja ima potencijal konačno otključati punu snagu genetskog uređivanja i uvesti medicinu u novu eru personaliziranih i kurativnih tretmana.