Forskare spårar mRNA för perfekt celleverans

– Vi har utvecklat en automatiserad process för att testa ett stort antal lipida nanopartiklar samtidigt – vilket vi hoppas ska effektivisera utvecklingen av dessa nya läkemedel, säger Michael Munson, postdok på Astra Zeneca och affilierad till forskningscentret Formulaex, tillika förstaförfattare till studien som nyligen publicerades i Nature-tidskriften Communications Biology.

Budbärar-RNA, eller mRNA, är den kod som cellerna använder för att producera proteiner. Om RNA tillsätts i form av läkemedel eller vaccin kan cellerna använda sina egna produktionssystem för att tillverka det protein som mRNAt ger instruktion om.

I framtiden vill man använda tekniken för att kunna behandla kroniska sjukdomar – genom att låta mRNA koda för terapeutiska protein. Man vill också kunna rikta läkemedlen mot specifika vävnader och celltyper i kroppen.

mRNA-molekyler packas i lipidnanopartiklar

Men det finns flera stora utmaningar inom den nya läkemedelstekniken. Man måste först lura cellernas upptagningssystem att ta upp mRNA-molekylerna. Den främsta metoden för att göra detta är att packa mRNAt i lipidnanopartiklar, små droppar som cellen kan ta upp genom så kallad endocytos. Då kapslas lipidpartikeln in i en blåsa, endosom, som transporterar läkemedlet vidare in i cellen.

För att mRNAt ska kunna koda för protein måste det ta sig ut ur endosomen till cellens cytoplasma. Detta måste ske innan endosomen hinner transportera mRNAt till cellens nedbrytningsstationer (lysosymerna). Detta viktiga steg kallas endosomal escape, eller endosomflykt, och är det steg i mRNA-leveransen som är mest avgörande för att RNA-läkemedel ska fungera.

Spårar flykten ur en​dosomerna

Den nya studien beskriver en metod som forskarna har utvecklat för att optimera leverans av mRNA i cellerna. Metoden gör det möjligt att följa cellupptag, endosomal escape och leverans av mRNA i hundratals prover åt gången. För att åstadkomma detta har forskarna använt en kombination av fluorescerande markörer som gör det möjligt att följa de lipidinpackade mRNA-molekylernas färd genom cellen, proteinproduktion och de olika stegen i endosomal escape. Markören som visar på endosomal escape består av en fluorescerande variant av proteinet Galectin-9 som ansamlas när mRNA tar sig ut ur endosomen. Denna markör är anpassad variant av ett protein som presenterats i en studie av forskare vid Lunds universitet​.

– I stället för att bara se vilka lipidnanopartiklar som fungerar bäst kan vi nu också förstå i vilket steg de fungerar optimalt och sedan använda den kunskapen när vi utvecklar och testar nya, säger Michael Munson.

Flykt ur endosomerna måste ha perfekt tajming​

Elin Esbjörner, docent i kemisk biologi vid Chalmers och medförfattare till studien, förklarar vikten av att mRNA kan levereras till målceller med hög precision.

– För att minska risken för sidoeffekter − till exempel att immunförsvaret ska triggas av lipidpartiklarna − behöver vi kunna ge en så låg dos som möjligt. Detta är särskilt viktigt för att vi ska kunna behandla sjukdomar som kräver att läkemedlen används under en lång period. Då måste endosomal escape ha perfekt tajming för att mRNAt ska kunna ta sig ut i cytoplasman, säger hon.

Förutom att metoden ger möjlighet att utvärdera ett stort antal lipidnanopartiklar åt gången, kan man också använda den för att undersöka hur effektivt olika lipidnanopartiklar levererar mRNA till olika sorters celler. Detta är relevant eftersom man vill kunna använda de nya RNA-läkemedlen riktat och behandla specifika organ i kroppen, till exempel lungor eller lever.

– I vårt arbete har vi sett att lipidnanopartiklar fungerar olika bra i olika celltyper. De formuleringar som fungerar för leverans till leverceller kan fungera helt annorlunda i lungorna. Vi vill använda vår nya metod för att förstå varför det är en skillnad då det skulle göra det möjligt att rationellt designa lipidnanopartiklar som kan riktas mot olika mål i kroppen, säger Elin Esbjörner

Läs mer

• Läs den vetenskapliga artikeln i tidskriften Nature Communications Biology: A high-throughput Galectin-9 imaging assay for quantifying nanoparticle uptake, endosomal escape and functional RNA delivery
• FormulaEx ​är ett industriellt forskningscenter för funktionell RNA-leverans. De tre akademiska partnerna Chalmers tekniska högskola, Karolinska Institutet och Göteborgs universitet utför forskning i nära samarbete med Astra Zeneca, Vironova, Camarus och Nanolyze. Syftet är att bidra med de grundläggande kunskaper som krävs för att utforma säkra och effektiva läkemedelsleveranser för nästa generations nukleotidläkemedel.