Una modifica chimica alle nanoparticelle lipidiche riduce gli effetti collaterali ed aumenta la potenza dell'mRNA / Chemical Tweak to Lipid Nanoparticles Cuts Side Effects, Boosts mRNA Potency

Una modifica chimica alle nanoparticelle lipidiche riduce gli effetti collaterali ed aumenta la potenza dell'mRNA / Chemical Tweak to Lipid Nanoparticles Cuts Side Effects, Boosts mRNA Potency

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una nuova ricerca condotta da scienziati dell'Università della Pennsylvania dimostra che modificando la struttura della componente lipidica ionizzabile delle nanoparticelle lipidiche (LNP), è possibile ridurre gli effetti collaterali come l'infiammazione ed aumentare l'efficacia di terapie e vaccini a base di mRNA. I dettagli del loro lavoro sono pubblicati in un nuovo articolo su Nature Biomedical Engineering intitolato " Librerie combinatorie basate sulla reazione di Mannich identificano lipidi ionizzabili antiossidanti per il rilascio di mRNA con ridotta immunogenicità ".

Il cambiamento chiave descritto nell'articolo è l'aggiunta di gruppi fenolici, composti chimici con comprovate proprietà antinfiammatorie. Si tratta di un approccio basato su dati di studi precedenti che indicano come i composti contenenti fenoli riducano l'infiammazione neutralizzando gli effetti nocivi dei radicali liberi, elettroni spaiati che possono degradare le proteine, danneggiare il materiale genetico e persino uccidere le cellule. In sostanza, gli scienziati hanno modificato "la ricetta per questi lipidi", consentendo loro di "funzionare meglio con meno effetti collaterali", ha spiegato Michael Mitchell, PhD, autore senior dell'articolo e professore associato di bioingegneria presso l'Università della Pennsylvania. "È una situazione vantaggiosa per tutti". 

Storicamente, i lipidi ionizzabili, uno dei quattro tipi di lipidi presenti nei LNP, sono stati in gran parte sintetizzati utilizzando reazioni chimiche che combinano due componenti in una nuova molecola. Poiché questo approccio funziona così bene, "non ci sono stati molti sforzi per cercare alternative", ha spiegato Ninqiang Gong, PhD, co-autore principale dell'articolo ed ex borsista post-dottorato presso il laboratorio Mitchell. 

Per modificare la ricetta dei LNP, gli scienziati si sono rivolti alla reazione di Mannich, dal nome del chimico tedesco che la scoprì più di un secolo fa. Invece di due componenti, la reazione di Mannich combina tre precursori, consentendo una maggiore varietà di risultati molecolari. Con questo approccio, "siamo stati in grado di creare centinaia di nuovi lipidi", ha spiegato Gong. 

L'esplorazione di questa libreria di lipidi ha portato il gruppo a scoprire che l'aggiunta di un gruppo fenolico – una combinazione di idrogeno e ossigeno legati a un anello di carbonio – riduceva sostanzialmente gli effetti collaterali associati agli LNP. Inoltre, controllando vari marcatori associati allo stress ossidativo, gli scienziati hanno confrontato gli effetti infiammatori degli LNP formulati utilizzando diversi lipidi. "L'LNP più performante, che abbiamo creato utilizzando un lipide ionizzabile contenente fenolo prodotto dalla reazione di Mannich, ha effettivamente causato meno infiammazione", ha affermato Emily Han, dottoranda e coautrice dello studio. 

Sulla base di questi risultati incoraggianti, gli scienziati hanno poi testato se i nuovi lipidi migliorassero anche l'efficacia del vaccino. Hanno scoperto che, in diversi esperimenti, gli LNP C-a16, che incorporavano il lipide più antinfiammatorio, hanno ottenuto risultati migliori rispetto agli altri nella libreria ed anche migliori degli LNP attualmente in uso sul mercato, con effetti terapeutici duraturi. Inoltre, secondo gli scienziati, i lipidi C-a16 hanno anche migliorato l'efficacia di strumenti di editing genetico come CRISPR e la potenza dei vaccini per il trattamento del cancro. 

Nell'ambito dei loro esperimenti, gli scienziati hanno testato l'efficacia dei lipidi C-a16 in vari modelli murini. Ad esempio, li hanno utilizzati per somministrare ai topi il gene che fa brillare le lucciole. Hanno riferito che la luminosità nei topi era circa 15 volte maggiore rispetto ai LNP utilizzati in Onpattro, un trattamento approvato dalla FDA per l'amiloidosi ereditaria da transtiretina (hATTR), una rara malattia genetica del fegato. I lipidi C-a16 hanno anche migliorato la somministrazione tramite CRISPR di una versione sana del gene hATTR. Di fatto, hanno più che raddoppiato l'efficacia del trattamento in un modello murino rispetto ai metodi di somministrazione attuali. 

L'efficacia dei lipidi si è dimostrata anche nei modelli murini di melanoma. Gli scienziati hanno riferito che un trattamento antitumorale a mRNA somministrato con lipidi C-a16 ha ridotto i tumori tre volte più efficacemente rispetto allo stesso trattamento somministrato con gli LNP utilizzati nei vaccini contro il COVID-19. Gli LNP aggiornati hanno anche aiutato le cellule T che combattono il cancro a riconoscere e distruggere le cellule tumorali in modo più efficiente. Infine, gli scienziati hanno testato i nuovi lipidi nei vaccini a mRNA per il COVID-19. I modelli animali trattati con questi vaccini hanno mostrato una risposta immunitaria cinque volte più forte rispetto ai vaccini con formulazioni LNP standard. 

Questi risultati derivano da un solo tipo di reazione chimica. Oltre a studiare il potenziale immediato dei nuovi lipidi nel ridurre gli effetti collaterali nei vaccini a mRNA, i ricercatori intendono esplorare se altri processi chimici trascurati possano sbloccare nuove ricette per il potenziamento degli LNP. "È entusiasmante immaginare cos'altro resti da riscoprire", ha affermato Mitchell.

ENGLISH

New research from scientists at the University of Pennsylvania shows that by tweaking the structure of the ionizable lipid component of lipid nanoparticles (LNPs), they can reduce side effects such as inflammation as well as boost the effectiveness of mRNA-based therapeutics and vaccines. Details of their work are published in a new Nature Biomedical Engineering paper titled “Mannich reaction-based combinatorial libraries identify antioxidant ionizable lipids for mRNA delivery with reduced immunogenicity.”

The key change described in the paper is the addition of phenol groups, chemical compounds with documented anti-inflammatory properties. It is an approach based on data from previous studies that indicate that phenol-containing compounds reduce inflammation by negating the harmful effects of free radicals, which are unpaired electrons that can degrade proteins, damage genetic material, and even kill cells. Essentially, the scientists changed “the recipe for these lipids,” enabling them to “work better with fewer side effects,” explained Michael Mitchell, PhD, senior author on the paper and an associate professor of bioengineering at UPenn. “It’s a win-win.” 

Historically, ionizable lipids, one of the four types of lipids in LNPs, have largely been synthesized using chemical reactions that combine two components into a new molecule. Because this approach works so well, “there hasn’t been much effort to look for alternatives,” explained Ninqiang Gong, PhD, co-first author of the paper and a former postdoctoral fellow in the Mitchell lab. 

To change up the LNP recipe, the scientists turned to the Mannich reaction, named after the German chemist who discovered it more than a century ago. Rather than two components, the Mannich reaction combines three precursors, allowing for a greater variety of molecular outcomes. With this approach, “we were able to create hundreds of new lipids,” explained Gong. 

Exploring that library of lipids led the team to discover that adding a phenol group—a combination of hydrogen and oxygen connected to a carbon ring—substantially reduced side effects associated with LNPs. In addition, by checking various markers associated with oxidative stress, the scientists compared the inflammatory effects of LNPs formulated using different lipids. “The best-performing LNP, which we built using a phenol-containing ionizable lipid produced by the Mannich reaction, actually caused less inflammation,” said Emily Han, a doctoral student and co-author of the paper. 

Building on these encouraging results, the scientists next tested whether the new lipids also improved vaccine performance. They found that across multiple experiments, C-a16 LNPs, which incorporated the most anti-inflammatory lipid, did the best compared to others in the library and also did better than currently used LNPs on the market with durable treatment effects. Furthermore, C-a16 lipids also improved the efficacy of gene-editing tools like CRISPR and the potency of vaccines for treating cancer, according to the scientists. 

As part of their experiments, the scientists tested how well C-a16 lipids performed in various mouse models. For example, they used them to deliver the gene that makes fireflies glow to mice. They report that the glow in mice was about 15 times brighter compared to the LNPs used in Onpattro, an FDA-approved treatment for hereditary transthyretin amyloidosis (hATTR), a rare genetic liver disease. The C-a16 lipids also improved CRISPR-based delivery of a healthy version of the hATTR gene. In fact, they more than doubled the treatment’s effectiveness in a mouse model compared to current delivery methods. 

The lipids were also proven effective in mouse models of melanoma. The scientists reported that an mRNA cancer treatment delivered with C-a16 lipids shrank tumors three times more effectively than the same treatment delivered with the LNPs that were used in the COVID-19 vaccines. The updated LNPs also helped cancer-fighting T cells recognize and destroy tumor cells more efficiently. Finally, the scientists tested the new lipids in mRNA vaccines for COVID-19. Animal models treated with these vaccines had an immune response that was five times stronger than vaccines with standard LNP formulations. 

These results come from just one type of chemical reaction. Besides investigating the immediate potential of the new lipids to reduce side effects in mRNA vaccines, the researchers plan to explore whether other overlooked chemical processes can unlock new LNP-enhancing recipes. “It’s exciting to imagine what else remains to be rediscovered,” said Mitchell.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/chemical-tweak-to-lipid-nanoparticles-cuts-side-effects-boosts-mrna-potency/?_hsenc=p2ANqtz-8KF35LTWjO_dZAnvBSwAJ8Pr5AdvP9CvBrqkwu1Fj3PqjxTXBn2T0XsKINiKaoh9oMPN7P_RUwtzHwrirgFQqTnvwzXzxykWF3tofVgEV7czZUFA8&_hsmi=371927540