As nanopartículas lipídicas, ou LNPs, são mais conhecidas pelo seu papel na entrega de vacinas de mRNA contra a COVID-19, que são administradas a milhares de milhões de pessoas. Os cientistas estão agora a expandir a sua utilização muito além das vacinas. Os pesquisadores estão trabalhando para usar esses minúsculos transportadores para fornecer mRNA terapêutico às células para tratar câncer, doenças inflamatórias e até mesmo sistemas CRISPR projetados para eliminar mutações genéticas prejudiciais.
No entanto, o progresso foi retardado por problemas persistentes. Para que os LNPs funcionem dentro do corpo, eles devem se fundir com as membranas celulares e liberar sua carga. Embora este processo funcione eficazmente em experiências de laboratório, é muito menos eficiente em condições biológicas reais.
Cientistas descobriram uma solução simples de aminoácidos
A equipe de pesquisa da Biohub identificou uma maneira surpreendentemente simples de melhorar esse processo. Num estudo publicado em Medicina Translacional Científicapesquisadores liderados por Daniel Zongjie Wang, Ph.D., e Shana O. Kelly, Ph.D., mostraram que a adição de três aminoácidos comuns – metionina, arginina e serina – junto com LNP pode aumentar significativamente o desempenho. Esta combinação aumentou a entrega de mRNA em até 20 vezes e aumentou a eficiência da edição genética do CRISPR de cerca de 25% para quase 90% após uma dose única.
“A edição genética e as terapias baseadas em mRNA desempenharão um papel cada vez maior na medicina do futuro, mas exigem que os LNPs alcancem e entrem nas células”, disse Kelly, presidente de Bioengenharia da Biohub e chefe da Biohub, Chicago, onde os cientistas estão decifrando os processos inflamatórios que impulsionam uma ampla gama de doenças. “Qualquer linha de LNP desenvolvida hoje poderia se beneficiar potencialmente de nossa abordagem.”
A descoberta decorre da estratégia mais ampla da equipe de estudar a biologia sob condições que melhor reflitam o corpo humano. “Foi exatamente isso que nos trouxe até aqui”, disse Wang, que lidera o grupo Spatiotemporal Omics do Biohub. “Ao perguntar por que os LNPs funcionam de maneira tão diferente no ambiente fisiológico do corpo, encontramos uma resposta surpreendentemente simples que poderia tornar uma ampla gama de mRNA e técnicas de edição de genes muito mais eficientes.”
Barreira metabólica dentro das células
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar o desempenho dos LNPs concentrou-se no redesenho das próprias nanopartículas. Os cientistas testaram centenas de novas combinações de lipídios e usaram inteligência artificial para estudar inúmeras composições. Apesar desses esforços, os resultados clínicos permanecem desanimadores.
Os pesquisadores do Biohub adotaram uma abordagem diferente. Em vez de modificar o sistema de administração, investigaram se as próprias células limitavam a absorção. Eles investigaram se as células poderiam ser induzidas a absorver o LNP mais facilmente.
“Tem havido um esforço tremendo na área para criar nanopartículas”, disse Wang. “No entanto, descobrimos que o próprio estado metabólico da célula é uma parte igualmente importante – e endereçável – da equação.”
O seu trabalho mostrou que o metabolismo desempenha um papel fundamental. As células padrão cultivadas em laboratório são expostas a condições ricas em nutrientes que são muito diferentes daquelas encontradas no corpo humano. Quando a equipe desenvolveu as células em um ambiente que se assemelhava mais ao plasma sanguíneo humano, a absorção de LNP caiu drasticamente em 50 a 80 por cento.
Análises adicionais revelaram que várias vias metabólicas relacionadas com aminoácidos eram menos ativas nestas condições mais realistas. Isto sugere que as células do corpo estão a funcionar com menos nutrientes disponíveis, limitando a sua capacidade de absorver as nanopartículas.
Uma solução simples com efeitos poderosos
Para resolver esta limitação, os investigadores desenvolveram um suplemento específico contendo metionina, arginina e serina. Quando esta mistura foi administrada juntamente com o LNP, os resultados foram surpreendentes. A produção de proteínas a partir do mRNA entregue aumentou de 5 a 20 vezes em vários tipos de células, tanto em experimentos de laboratório quanto em animais vivos.
A melhoria ocorreu com diferentes vias de entrega – intramuscular, intratraqueal e intravenosa – e funcionou independentemente do desenho específico da nanopartícula ou do material genético a ser entregue. Pesquisas adicionais mostraram que os aminoácidos melhoram uma via celular que permite que as nanopartículas entrem nas células com mais eficiência.
Melhorias significativas na pesquisa animal
A equipe testou essa abordagem em modelos de doenças usando tratamentos de mRNA e edição de genes CRISPR.
Num modelo de rato com insuficiência hepática aguda induzida por paracetamol – a principal causa de insuficiência hepática induzida por medicamentos em pacientes – os ratos que receberam mRNA da hormona de crescimento entregue apenas por LNP tiveram uma taxa de sobrevivência de apenas 33 por cento. Quando o mesmo tratamento foi combinado com a suplementação de aminoácidos, a sobrevivência aumentou para 100%. Os níveis da proteína terapêutica aumentaram quase nove vezes, enquanto os indicadores de danos e inflamação no fígado caíram para níveis quase normais.
Em outro experimento, os pesquisadores entregaram componentes CRISPR-Cas9 aos pulmões de camundongos. Sem o aditivo, a eficiência da edição genética variou de 20 a 30 por cento. Com a mistura de aminoácidos, a eficácia aumentou para 85-90 por cento após uma dose única. Este nível de melhoria pode ser particularmente importante para doenças como a fibrose cística, onde a correção genética eficiente no tecido pulmonar é importante.
Um caminho prático para uso clínico
Um dos aspectos mais promissores desta descoberta é a facilidade com que ela pode ser aplicada ao tratamento do mundo real. O suplemento utiliza aminoácidos já produzidos em larga escala e considerados seguros. Ao contrário de outras estratégias que requerem modificação de nanopartículas ou modificação genética de células, esta abordagem pode simplesmente ser adicionada a formulações existentes.
Ao concentrarem-se na biologia celular em vez de redesenhar o sistema de distribuição, os investigadores podem ter encontrado uma forma prática de desbloquear todo o potencial da terapia com mRNA e das tecnologias de edição genética.
