Progettazione di una consegna intelligente per gli editor genici
Restoring Vision: nuove speranze per le malattie genetiche e le terapie contro il cancro
Un gruppo di ricercatori della Helmholtz di Monaco e dell'Università Tecnica di Monaco ha sviluppato un sistema di consegna avanzato che trasporta gli strumenti di editing genetico basati sul sistema di editing genetico CRISPR/Cas9 nelle cellule viventi con un'efficienza significativamente maggiore rispetto al passato. La loro tecnologia, ENVLPE, utilizza particelle virali non infettive ingegnerizzate per correggere con precisione i geni difettosi, come dimostrato con successo in modelli di topi viventi ciechi a causa di una mutazione. Questo sistema è promettente anche per il progresso della terapia del cancro, in quanto consente una precisa manipolazione genetica delle cellule immunitarie ingegnerizzate, rendendole più universalmente compatibili e quindi più accessibili a un gruppo più ampio di pazienti oncologici.
Superare le sfide legate alla somministrazione dell'editing genico
Le moderne tecniche di editing del genoma, compresi i sistemi CRISPR, hanno un grande potenziale per il trattamento delle malattie genetiche. Tuttavia, la consegna di questi strumenti molecolari in modo affidabile alle cellule bersaglio rimane una sfida significativa.
"I precedenti sistemi di rilascio virali e non virali, come i virus adeno-associati (AAV), le nanoparticelle lipidiche (LNP) e altre particelle simil-virali (VLP), si sono rivelati validi ma presentano dei limiti", spiega il dott. Dong-Jiunn Jeffery Truong, ultimo autore dello studio e leader del gruppo presso l'Istituto di biomedicina sintetica di Helmholtz Monaco. "Le sfide includono la maggiore persistenza di editor genici che potrebbero causare reazioni immunitarie, o semplicemente la loro limitata efficienza. ENVLPE affronta direttamente questi problemi, mentre il suo design modulare mantiene la compatibilità con i futuri progressi dell'editing genico".
ENVLPE si basa su gusci modificati e non infettivi derivati da virus. Questi fungono da vettori per gli editor genici molecolari, come gli editor di basi o di prime, strumenti CRISPR specializzati che possono modificare chimicamente singole basi di DNA nel genoma e rimuovere o inserire nuove sequenze di DNA. Il progetto di ENVLPE risolve la sfida logistica dei metodi precedenti durante la produzione delle VLP, dirottando il meccanismo di trasporto intracellulare in modo che tutti i componenti si riuniscano al momento e nel luogo giusto.
I metodi precedenti spesso includevano editor genici parzialmente assemblati e non funzionali, riducendo l'efficacia della consegna. "ENVLPE ora non solo garantisce il confezionamento di editor genici completamente assemblati, ma contiene anche uno scudo molecolare aggiuntivo che protegge la parte più vulnerabile dell'editor dalla degradazione durante il trasporto", spiega Truong. "Questo permette agli strumenti genetici di essere consegnati in modo sicuro nelle cellule bersaglio, dove può avvenire la modifica del DNA prevista".
Ripristinare la vista: Editing genico in azione
In stretta collaborazione con un team guidato dal Prof. Krzysztof Palczewski, professore di oftalmologia alla UC Irvine, gli scienziati hanno testato il sistema ENVLPE in un modello murino di cecità ereditaria. "I topi sono portatori di una mutazione invalidante nel gene Rpe65, essenziale per la produzione di molecole sensibili alla luce nella retina, e quindi sono completamente ciechi e non rispondono alla luce", spiega Samuel W. Du, coautore e candidato al dottorato presso la UC Irvine. Dopo aver iniettato ENVLPE nello spazio sottoretinico (l'area tra l'epitelio pigmentato retinico e i fotorecettori) per correggere la mutazione, gli animali hanno ricominciato a rispondere agli stimoli luminosi. "L'entità del ripristino è stata sorprendente", afferma Julian Geilenkeuser, primo autore dello studio e ricercatore di dottorato presso l'Istituto di biomedicina sintetica. "Ci ha dimostrato che le nostre particelle hanno un reale potenziale terapeutico in un animale vivente".
Rispetto ai sistemi consolidati, ENVLPE ha ottenuto risultati significativamente migliori: un sistema concorrente richiedeva una dose più di 10 volte superiore per ottenere effetti simili. "Il nostro obiettivo era quello di costruire uno strumento utile per i ricercatori e adatto alle applicazioni del mondo reale", afferma Niklas Armbrust, anch'egli co-first author e ricercatore di dottorato presso l'Institute for Synthetic Biomedicine. "Abbiamo risolto i colli di bottiglia critici e ottenuto un confezionamento molto più efficiente da parte degli agenti di consegna".
Progredire nella terapia del cancro con le cellule T universali
ENVLPE potrebbe anche aprire nuove possibilità per le terapie adottive con cellule T, in cui le cellule immunitarie prelevate dal paziente vengono modificate geneticamente in laboratorio in modo che possano riconoscere e attaccare specificamente le cellule tumorali. In collaborazione con il laboratorio della dottoressa Andrea Schmidts dell'ospedale universitario TUM, l'ENVLPE ha facilitato la rimozione mirata di specifiche molecole di superficie che potrebbero scatenare una risposta immunitaria quando le cellule vengono somministrate a un ricevente diverso dal donatore. Questo potrebbe portare allo sviluppo di cellule T cosiddette "universali" che non necessitano di essere personalizzate per i singoli pazienti, rendendo i trattamenti più accessibili ed economici.
Queste innovazioni affrontano sfide critiche sia nelle terapie geniche in vivo per le malattie geneticamente ereditate sia nelle terapie cellulari ex vivo per il cancro, aprendo la strada a importanti progressi traslazionali. "Il sistema ENVLPE, altamente modulare, ci avvicina notevolmente alle modifiche genetiche precise e su richiesta di modelli cellulari complessi", afferma il Prof. Gil Westmeyer, Direttore dell'Istituto di Biomedicina Sintetica e Professore di Ingegneria Neurobiologica presso la TUM e co-autore dello studio. "È un esempio di come la biologia sintetica possa contribuire a guidare l'innovazione medica".
Verso l'uso clinico
Avendo raggiunto un'elevata efficienza nella somministrazione degli strumenti di editing genetico più comuni, il team cerca ora di utilizzare la diversità presente in natura, insieme ai recenti progressi nella progettazione di proteine assistite dall'intelligenza artificiale, per aumentare la precisione di targeting, limitando la somministrazione di questi strumenti solo a specifici tipi di cellule o tessuti. Per far progredire ENVLPE verso l'applicazione clinica, il team di ricerca sta cercando di ottenere finanziamenti da sovvenzioni per la traslazione e partnership con l'industria farmaceutica. L'obiettivo è ottimizzare la tecnologia per varie applicazioni terapeutiche e renderla infine disponibile per i pazienti.
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Pubblicazione originale
Julian Geilenkeuser, Niklas Armbrust, Emily Steinmaßl, Samuel W. Du, Sebastian Schmidt, Eva Maria Hildegard Binder, Yuchun Li, Niklas Wilhelm Warsing, ... Andrea Schmidts, Arie Geerlof, Krzysztof Palczewski, Gil Gregor Westmeyer, Dong-Jiunn Jeffery Truong; "Engineered nucleocytosolic vehicles for loading of programmable editors"; Cell
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