В течение последних десяти лет ученые активно разрабатывают методы лечение рака, основанные на феномене РНК-интерференции. РНК-интерференция позволяет подавлять экспрессию «неисправных» генов короткими фрагментами РНК. Однако развитие этого метода сдерживается серьезнейшей проблемой – недостаточно эффективной доставкой таких фрагментов в клетку.

Кластер микрогубок из длинных цепочек свернутой РНК (СЭМ).
(Фото: Hammond laboratory)

Короткие, или малые, интерферирующие РНК (миРНК, siRNA) – тип РНК, используемый в механизме РНК-интерференции – быстро разрушаются ферментами, защищающими организм от инфекций, вызываемых РНК-содержащими вирусами.

Профессор инженерии Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) Пола Хэммонд (Paula Hammond) и ее коллеги разработали новое средство доставки, в котором молекулы РНК так плотно упакованы в микросферы, что способны противостоять разрушению до тех пор, пока не достигнут места назначения. Новая система, описанная в журнале Nature Materials, подавляет экспрессию специфических генов столь же эффективно, как уже существующие методы доставки, но для достижения эффекта ей нужно гораздо меньшее количество частиц.

По мнению профессора Хэммонд, перспективы использования РНК-интерференции для лечения целого ряда болезней, в числе которых не только рак, но и неврологические и иммунные заболевания, огромны. Поэтому такие частицы могли бы стать новым способом лечения любой хронической болезни, причиной которой являются «неисправные гены».

РНК-интерференция, открытая учеными в 1998 году, – естественный процесс, позволяющий клеткам осуществлять тонкую настройку экспрессии генов. Генетическая информация, как правило, передается с находящейся в ядре клетки ДНК к рибосомам – молекулярным структурам, в которых непосредственно протекает синтез белков. Малые интерферирующие РНК взаимодействуют с несущими эту генетическую информацию матричными РНК (мРНК), уничтожая инструкции, прежде чем их получат рибосомы.

Ученые работают над многими способами искусственного воспроизведения процесса РНК-интерференции, включая упаковку миРНК в наночастицы из липидов и неорганических материалов, таких как золото. Хотя многие из способов доказали свою состоятельность, их общим недостатком является сложность загрузки большого количества миРНК, так как короткие цепочки РНК невозможно уложить достаточно плотно.

Для решения этой проблемы группа Хэммонд решила упаковать РНК как одну длинную цепочку, сворачивающуюся в крошечную компактную сферу. Чтобы получить очень длинные нити РНК, состоящие из повторяющейся последовательности из 21 нуклеотида, ученые использовали метод синтеза РНК, известный как транскрипция по типу «катящегося кольца» (rolling circle transcription). В такой молекуле РНК повторяющиеся последовательности нуклеотидов разделены более короткими отрезками, распознаваемыми ферментом Dicer, разрезающим РНК по месту короткого отрезка.

Схема образования микрогубок из миРНК. ((nature.com/nmat)

Синтезированная цепочка РНК сворачивается в слоистые структуры, которые затем самостоятельно собираются в очень плотную губчатую сферу. В сферу диаметром всего два микрона могут быть упакованы до полумиллиона копий одной и той же последовательности РНК. Образовавшиеся сферы покрываются слоем положительно заряженного полимера, что делает их еще более плотными и компактными (до 200 нанометров в диаметре) и способствует их проникновению в клетки.

После попадания сферы в клетку фермент Dicer разрезает РНК в определенных местах, высвобождая «рабочие» 21-нуклеотидные последовательности миРНК.

Схематическое изображение кристаллообразной структуры слоя РНК в микрогубке и ТЭМ-изображения микрогубок из миРНК. (nature.com/nmat)

Ученые протестировали свои сферы, запрограммировав их на доставку миРНК, подавляющей ген, вызывающий свечение раковых клеток в организме мышей. Как оказалось, такой же степени подавления гена, какая достигается при доставке с помощью обычных наночастиц, можно достичь, используя в тысячу раз меньшее количество микросфер.

Микрогубки накапливаются в опухолях благодаря явлению, часто используемому для доставки наночастиц: окружающие опухоль кровеносные сосуды имеют повышенную проницаемость, и очень маленькие частицы могут свободно проходить через крошечные поры в их стенках.

В будущем ученые планируют разработать микросферы с покрытием из полимеров, специфически ориентированных на опухолевые или другие аномальные клетки. Кроме того, они работают над сферами, несущими ДНК, для потенциального использования в генной терапии.

Аннотация к статье

Self-assembled RNA interference microsponges for efficient siRNA delivery