Новосибирские биологи изучили эффективность новых систем доставки матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Их особенность в том, что они менее токсичны по сравнению с другими способами доставки и обеспечивают долгосрочную экспрессию мРНК. Эти результаты представляют многообещающее направление для разработки противовирусных и противоопухолевых мРНК-вакцин. Исследование опубликовано в журнале Pharmaceutics.
За последние десять лет терапия на основе мРНК показала значительный потенциал. Самым ярким примером стала массовая вакцинация против COVID-19 во время пандемии. Теперь с помощью мРНК-технологий ученые создают вакцины против вирусов и рака, а также терапевтические мРНК-препараты для лечения генетических и других заболеваний.
Ввиду того, что мРНК не может проникнуть в клетку самостоятельно, для ее доставки используются различные трансфекционные агенты, обеспечивающие накопление мРНК внутри клетки и защищающие ее от разрушения ферментами РНКазами. Чаще всего для этих целей применяют липосомы — небольшие везикулы (пузырьки), состоящие из смеси заряженных и нейтральных липидов. На сегодняшний день разработано много систем липосомальной доставки мРНК, однако кинетика поглощения и экспрессии мРНК изучена недостаточно хорошо.
Все липосомы имеют ограничения — при системном введении в организм они попадают в печень, где накапливаются и разрушаются. Для исследователей же важно настроить систему доставки к органу, который подвергся воздействию вируса, опухоли, или к органу иммунной системы для активации противовирусного или противоопухолевого иммунного ответа. Для того чтобы доставлять мРНК в определенные ткани, органы и клетки, необходимо подобрать правильный состав липосом.
Липосомы были разработаны специалистами Института тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова. В состав липидных наночастиц входили катионные липиды (необходимые для связывания мРНК) в сочетании с нейтральными липидами-хелперами (после доставки в клетку помогают мРНК выходить в цитоплазму клетки для считывания с нее вирусного или опухолевого антигенного белка). Особенность этих липосом в том, что катионный липид полностью состоит из природных компонентов: спермина, глицерина, холестерина. Благодаря такому составу ученым удалось снизить токсичность и повысить биоразлагаемость.
«Мы изучали эффективность новых систем доставки, которые синтезировали наши коллеги из МИТХТ им. М. В. Ломоносова. Сначала характеризовали комплексы мРНК-липосом, оценивали их физико-химические показатели: размеры и заряды. Уже после переходили на уровень in vitro, где тестировали комплексы на культуре человеческих клеток. С помощью проточного цитометра оценивали уровень специфического сигнала от флуоресцентного белка, который синтезировался клетками с мРНК. Здесь нам удалось показать, что как доставка, так и трансляция мРНК идут очень активно. Дальше в эксперименте in vivo на экспериментальных животных мы изучали кинетику активности другого репортерного белка, люциферазы светлячка. Он был закодирован в мРНК в режиме долгосрочного отслеживания биолюминесценции. Для этого определенное количество мРНК люциферазы в комплексах с липосомами вводили мышам внутримышечно. С помощью прибора IVIS Lumina II мы прижизненно детектировали люминесцентный сигнал во временной промежуток от нескольких часов до девяти суток после введения мРНК», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории геномного редактирования Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН Денис Николаевич Антропов.
Помимо изучения новых систем доставки, ученые подбирали оптимальную структуру мРНК. РНК — это одноцепочечная молекула, которая состоит из рибонуклеотидов. Она должна иметь определенные модификации и структуры, чтобы защищаться от нуклеаз, предотвращать деградацию и обеспечивать стабильность молекулы. Например, поли-А хвост (длинная цепочка адениновых нуклеотидов) или 5'-кэп (структура в начале мРНК, которая защищает от расщепления нуклеазами и способствует более эффективной трансляции). Исследователи ввели новые нетранслируемые области в структуру мРНК (участки молекулы, которые не кодируют белки, но играют важную роль в регуляции экспрессии генов и стабильности мРНК). Это повлияло на увеличение количества считываемого с молекулы белка.
«Благодаря правильно подобранному составу липосом и оптимизированной структуре РНК нам удалось добиться продолжительной и высокоэффективной экспрессии мРНК как in vitro, так и in vivo. Результаты нашего in vivo исследования показали, что максимального накопления белка мы достигали на третьи сутки после введения мРНК, после чего сигнал начинал постепенно угасать, однако детектировался даже на девятый день после инъекции. Это превосходные результаты, имеющие большие перспективы, поскольку из литературных данных мы знаем, что обычно максимальная экспрессия трансгенного белка после доставки мРНК наступает через четыре-восемь часов и уже через сутки затухает. Интересно и то, что биолюминесценция наблюдалась только в месте инъекции, а не за пределами внутримышечного введения (в печени и других органах), это говорит о локальной экспрессии гена», — прокомментировал научный сотрудник лаборатории биохимии нуклеиновых кислот ИХБФМ СО РАН кандидат биологических наук Олег Владимирович Марков.
Результаты исследований показывают многообещающее направление для профилактического использования в медицине, где требуется устойчивый синтез и непрерывное поступление терапевтических или защитных белков. Сейчас ученые разрабатывают мРНК-вакцины на модели вируса гриппа. Скоро они получат результаты по противовирусному иммунитету, который запускается их мРНК-вакцинами. После отработки системы на моделях вируса специалисты планируют заняться тестированием и исследованием противоопухолевых вакцин.
Полина Щербакова