Una vista ad altissima risoluzione delle nanoparticelle lipidiche / A super-resolution view of lipid nanoparticles

Una vista ad altissima risoluzione delle nanoparticelle lipidiche / A super-resolution view of lipid nanoparticles

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

Le nanoparticelle lipidiche potrebbero essere la chiave per sviluppare terapie geniche per tumori e malattie genetiche attualmente incurabili?

Quando il mondo si è chiuso durante la pandemia, le nanoparticelle lipidiche hanno aperto le porte ad un nuovo tipo di vaccino. I ricercatori ora mirano a utilizzare la tecnica per curare il cancro, le malattie genetiche e persino per personalizzare i farmaci in base al DNA di ogni individuo.

Tuttavia, anche se le forbici genetiche CRISPR/Cas9 potessero aprire la strada alla correzione delle mutazioni genetiche, lo strumento deve essere in grado di penetrare nelle cellule e raggiungere il gene da correggere. Per questo motivo, si stanno conducendo intense ricerche sulle nanoparticelle lipidiche per capire come potrebbero essere utilizzate per sviluppare nuovi trattamenti curativi per malattie come il cancro, le malattie genetiche e persino alcune patologie neurologiche.

"Avremo la capacità di riscrivere il codice genetico quando è scritto male. La tecnica è già disponibile. Ma il metodo di somministrazione deve essere ottimizzato, ed in questo caso le nanoparticelle lipidiche offrono una possibile soluzione", ha commentato Anders Wittrup, ricercatore presso il Dipartimento di Scienze Cliniche ed il Centro Wallenberg per la Medicina Molecolare dell'Università di Lund (Svezia). Wittrup è anche oncologo medico presso l'Ospedale Universitario di Skåne (Malmö, Svezia) ed il suo gruppo di ricerca si concentra sulle terapie a RNA e sulle nanoparticelle lipidiche. Il loro obiettivo è comprendere meglio come utilizzare queste particelle per somministrare nuovi trattamenti.

Come funzionano le nanoparticelle lipidiche

Le nanoparticelle lipidiche sembrano un termine high-tech, ma in sostanza sono composte da grasso. Proprio come le membrane cellulari del corpo, sono costituite da lipidi, il che le rende biocompatibili e adatte ad integrarsi nell'organismo, limitando l'attivazione del sistema immunitario. Le particelle agiscono come bolle protettive che incapsulano contenuti sensibili, come l'mRNA od altri principi attivi, favorendone l'ingresso nelle cellule.

Potrebbero essere descritte come piccole sfere – pensate a bolle di sapone – che trasportano il loro contenuto all'interno delle cellule. Tuttavia, due importanti sfide devono essere superate prima che il sogno di un efficace trasporto dell'mRNA in diverse parti del corpo possa diventare realtà.

Guidare le particelle verso parti specifiche del corpo

La prima sfida è indirizzare le nanoparticelle lipidiche verso la destinazione corretta. La maggior parte delle nanoparticelle lipidiche iniettate per via endovenosa finisce nel fegato, indipendentemente dalla sua destinazione. Il fegato è il principale centro di filtrazione dell'organismo e cattura efficacemente le particelle estranee. Tuttavia, per trattare un tumore od una malattia genetica è necessaria una precisione molto maggiore.

"Un veicolo per la somministrazione di farmaci deve raggiungere il tessuto da trattare, introdurre sufficiente materiale RNA e raggiungere un numero sufficiente di cellule. Deve essere efficace", ha commentato Wittrup.

La super risoluzione consente di osservare da vicino le particelle

Il gruppo di Wittrup, in collaborazione con AstraZeneca (Cambridge, Regno Unito), ha utilizzato un metodo chiamato microscopia a super-risoluzione per studiare cosa accade quando l'RNA viene introdotto nelle cellule utilizzando nanoparticelle lipidiche. La super-risoluzione permette di studiare il comportamento delle nanoparticelle una volta entrate nella cellula.

La seconda grande sfida per le nanoparticelle lipidiche, rivelata in questo studio, è che restano incastrate negli endosomi (minuscole bolle di accumulo all'interno della cellula) dove spesso restano confinate sostanze estranee.

"Nello studio abbiamo visto che le nanoparticelle lipidiche devono distruggere l'endosoma per poter trasportare il loro carico di RNA all'interno della cellula, noto come citosol. Ma anche se viene creato un foro, abbiamo anche visto che solo una piccola quantità di RNA viene effettivamente trasportata nel citosol dall'endosoma. Inoltre, le nanoparticelle lipidiche a volte creano fori in strutture in cui non è disponibile RNA da trasportare. Questo significa danni inutili senza alcun beneficio terapeutico", ha spiegato Johanna Johansson, prima autrice dello studio.

Guardando avanti

Per i vaccini, è sufficiente che una piccola quantità di mRNA raggiunga le cellule del sistema immunitario. Il sistema immunitario può sviluppare una protezione anche a partire da segnali lievi. Tuttavia, il trattamento di tumori o malattie genetiche in un organo specifico richiede dosi maggiori affinché il trattamento sia efficace.

"Ciò che abbiamo visto dallo studio può contribuire a far progredire la tecnica. Abbiamo identificato i passaggi che devono essere migliorati e resi più efficaci, in modo da poter utilizzare le nanoparticelle lipidiche per raggiungere più tessuti del corpo e quindi curare più malattie. L'obiettivo è raggiungere in futuro un rilascio di RNA sufficientemente efficace da poter disattivare i geni cancerogeni iperattivi nel tumore di un paziente specifico", ha concluso Wittrup.

ENGLISH

Could lipid nanoparticles hold the key to delivering gene therapies for currently untreatable cancers and genetic disorders?

When the world closed down during the pandemic, lipid nanoparticles opened the door for a new sort of vaccine. Researchers are now aiming to use the technique to treat cancer, genetic disorders and even tailor medicine to a person’s DNA.

However, even if the CRISPR/Cas9 gene scissors can open the way for correcting genetic mutations, the tool must be able to get into the cells and reach the gene that is to be corrected. For this reason, intensive research is being carried out on lipid nanoparticles in order to understand how they could be used to deliver new curative treatments for diseases such as cancer, genetic disorders and even some neurological conditions.

“We will have the capacity to rewrite the genetic code when it is misspelled. The technique is already available. But the delivery method must be optimized, and here lipid nanoparticles offer a possible solution,” commented Anders Wittrup, a researcher at the Department of Clinical Sciences and Wallenberg Center for Molecular Medicine at Lund University (Sweden). Wittrup is also a medical oncologist at Skåne University Hospital (Malmö, Sweden) and his research team focuses on RNA therapies and lipid nanoparticles. Their aim is to better understand how to use these particles to deliver new treatments.

How lipid nanoparticles deliver

Lipid nanoparticles sound high-tech, but, in essence, they are made of fat. Just like the body’s cell membranes they consist of lipids, which makes them both biocompatible and good at blending into the body with limited activation of the immune system. The particles act as protective bubbles that encapsulate sensitive content, such as mRNA or other active substances, and help them enter the cells.

They could be described as small spheres – think soap bubbles – that carry their content into cell interiors. However, two major challenges must be overcome before the dream of effective mRNA delivery to different parts of the body can become a reality.

Guiding the particles to specific parts of the body

The first challenge is to guide the lipid nanoparticles to the right destination. Most lipid nanoparticles injected intravenously end up in the liver – regardless of where they are intended to go. The liver is the body’s major filtration center and effectively picks up foreign particles. However, far more precision is required to treat a tumor or a genetic disorder.

“A drug delivery vehicle must reach the tissue that you want to treat, introduce enough RNA material and reach a sufficient number of cells. It must be effective,” commented Wittrup.

Super-resolution provides up-close look at particles

Wittrup’s team, in collaboration with AstraZeneca (Cambridge, UK), has used a method called super-resolution microscopy to study what happens when RNA is delivered into cells using lipid nanoparticles. Super-resolution makes it possible to investigate how the nanoparticles behave once they have entered the cell.

The second major challenge for lipid nanoparticles, revealed in this study, is that they get stuck in endosomes – tiny storage bubbles within the cell – where foreign substances are often confined.

“In the study we saw that the lipid nanoparticles must disrupt the endosome in order to deliver their RNA load to the interior of the cell known as the cytosol. But even if a hole is made, we also saw that only a small amount of RNA is actually delivered into the cytosol from the endosome. In addition, the lipid nanoparticles sometimes make holes in structures in which there is no RNA available to deliver. This means unnecessary damage without any therapeutic benefit,” explained Johanna Johansson, first author of the study.

Looking ahead

For vaccines, it is sufficient for a small amount of mRNA to reach the cells of the immune system. The immune system can build up protection even from small signals. However, treating cancer or genetic disorders in a specific organ requires larger doses for the treatment to be effective.

“What we have seen from the study can help to advance the technique. We have identified those steps that must be improved and be more effective so that we can use lipid nanoparticles to reach more tissues in the body and thereby treat more diseases. The aim is for a sufficiently effective RNA delivery in the future to be able to turn off the driving cancer genes that are overactive in a specific patient’s tumor,” concluded Wittrup.

Da:

https://www.biotechniques.com/drug-discovery-development/a-super-resolution-view-of-lipid-nanoparticles/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz--4Z5S9LqR3yYdNUU-vv_CwuSVxVpl4rZWWIPBm38yW_8H1442uPuXv688KjegRkBdOjElYfxJnNKjTYvw4XfMqoAM3w9Kj2kZy3s-Arnc85NsA5Fs&_hsmi=370746698&utm_content=370503227&utm_source=hs_email