Ученые сконструировали наночастицу, эффективно доставляющую в клетки генетический материал и обладающую минимальными токсическими эффектами.

На основании лабораторных экспериментов исследователи пришли к выводу, что такое средство, вектор, способно достаточно глубоко для активации генетического материала доставлять в клетку ДНК – важнейший шаг в генной терапии. По мнению исследователей, созданный ими вектор от 2.5 до 10 раз более эффективен, чем другие экспериментальные материалы.

Ученые-биомедики продолжают заниматься генной терапией как одним из вариантов лечения заболеваний, вызываемых генетическими дефектами. Развитие генной терапии включает в себя и усилия по обеспечению безопасности этого вида лечения и поиск наиболее эффективных путей доставки генов.

Во многих экспериментах инактивированные вирусы, сохранившие способность заражать другие клетки, используются в качестве векторов для доставки нормальных генов, предназначенных для замены, или выключения, дефектных. Но так как некоторые вирусы могут вызывать осложняющий лечение иммунный ответ, ученые ищут невирусные векторные методы.

В данном случае исследователи из Государственного университета Огайо (Ohio State University) объединили два компонента – фосфат кальция и липидную оболочку – чтобы создать наночастицу, защищающую ДНК в процессе ее доставки в клетку, а затем растворяющуюся и позволяющую тем самым активировать ген в клетке-мишени. Частица вполне может быть отнесена к нанообъектам – ее можно обнаружить только при помощи атомно-силового микроскопа.

Фосфат кальция – минерал, находящийся в организме в костях и зубах. Липиды – молекулы жиров, помогающие сохранять структуру клеточных мембран. Если рассмотреть их роль в организме по отдельности, то фосфат кальция проявляет токсические свойства, а липиды поглощаются клеткой. Вместе же они образуют жесткую защитную структуру, которая, попав в клетку, саморазрушается в цепи сложных химических реакций.

«Наша наночастица – такое же инородное тело, как и вирусный вектор, но она обладает механизмом саморазрушения и поэтому не вызывает такой сильной реакции по стороны иммунной системы», – говорит ведущий автор исследования докторант Ченгуанг Чжоу (Chenguang Zhou). «Кроме того, используемый нами материал является биосовместимым. Фосфат кальция содержится в наших костях, а липиды хотя и являются синтетическими, но подвергаются биодеградации. Поэтому мы не наблюдаем высокой токсичности».

Исследование опубликовано в журнале International Journal of Pharmaceutics.

Чжоу отмечает, что для создания невирусных векторов для генной терапии другие исследователи пытаются использовать липосомы – наноразмерные пузырьки, сделанные из тех же самых веществ, что и клеточные мембраны. Хотя они хорошо защищают ДНК, при высвобождении гена из липидной оболочки в клетку возникают сложности.

Как средство доставки генов рассматривался и фосфат кальция. Но из-за своих химических свойств он становится нестабильным и увеличивается в размере, что делает его слишком большим для проникновения в некоторые клетки и через стенки сосудов и может вызвать иммунную реакцию.

«Поэтому мы инкапсулировали ядро из фосфата кальция в липосому», – говорит Чжоу. «Если фосфат кальция попадает внутрь клетки с кислой внутренней средой, он растворяется, а ген успешно выделяется в цитоплазму и переносится в ядро. По крайней мере, с теоретической точки зрения».

Чжоу и его коллеги разработали простой способ производства таких частиц. Они создали синтетический липид и поместили его в раствор, содержащий кальций и фосфат, который взаимодействует с катионной липидной оболочкой. При изменении кислотности раствора образуется ядро из фосфорнокислого кальция.

Затем ученые смешали раствор, содержащий плазмидную ДНК, со своими вновь образовавшимися частицами, в результате чего все материалы объединились в единый комплекс. Плазмидная ДНК – кольцевая молекула, способная включать активность гена, начинающего процесс синтеза белков, без изменения всего генома, или полной наследственной информации организма.

Так как вектор предназначен для инъекционного введения в кровь в качестве противоракового средства, частица сконструирована таким образом, что она способна защитить ДНК от разрушения ферментами в процессе ее доставки к клетке-мишени. Экспериментальное воздействие на этот раствор сывороткой крови показало, что гибридная частица обеспечивает такую защиту, в то время как незащищенная ДНК расщепляется сывороточными ферментами.

Исследователи испытали раствор с содержащими ДНК наночастицами на клетках мышей. ДНК содержала ген, кодирующий зеленый флуоресцентный белок, который мог включиться только после попадания в клетку. Они наблюдали, как частица прошла через клеточную мембрану и как после ряда внутриклеточных взаимодействий начал светиться флуоресцентный белок, указывая на то, что ДНК достигла своей цели.

Для сравнения ученые провели мониторинг перемещения незащищенной ДНК и ДНК в составе других векторов. Их гибридный вектор был в 24 раза более эффективен, чем свободная ДНК, и в 10 раз эффективнее, чем ДНК в сочетании с фосфатом кальция.

«Мы знаем, что частица попадает туда, куда нужно, и знаем, что с ней происходит», – говорит Чжоу. «Знаем ли мы, что ДНК достигает ядра? Здесь нам еще нужно кое-что выяснить. Но так как видна экспрессия флуоресцентного белка, мы считаем, что ДНК попадает в ядро или, по крайней мере, в цитоплазму. Здесь, прежде всего, важно то, что белок находится в клетке».

Исследование показало, что гибридная частица сохраняет свою структуру в течение 21 дня и по сравнению с рядом других потенциальных векторных материалов проявляет гораздо более низкую токсичность, причиняя клеткам значительно меньший вред.

Использование вирусных векторов делает генную терапию «одноразовой», так как если несущий новые гены вирус инфицирует клетку, он изменяет весь геном реципиента, эффективно устраняя активность дефектного гена. Лечение невирусным вектором будет разработано в виде внутривенных инъекций, назначаемых на регулярной основе до тех пор, пока клетки «не будут достаточно инфицированы, чтобы в них произошли изменения».

В ближайших планах ученых проверить способность частицы переноситься кровью и попадать в клетки-мишени на животных.

Аннотация к статье: Lipid-coated nano-calcium-phosphate (LNCP) for gene delivery