Editar genes en los pulmones usando nanopartículas

Los ingenieros del MIT en colaboración con la Facultad de Medicina de Massachusetts han descubierto cómo transportar ARN mensajero usando nanopartículas

Ingenieros del MIT y de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts han diseñado un nuevo tipo de nanopartícula que puede introducirse en los pulmones, donde puede liberar ARN mensajero que codifica proteínas útiles. Los investigadores afirman que, con un mayor desarrollo, estas partículas podrían ofrecer un tratamiento inhalable para la fibrosis quística y otras enfermedades pulmonares. El estudio se ha publicado en Nature Biotechnology.

«Se trata de la primera demostración de un transporte muy eficaz de ARN a los pulmones en ratones. Esperamos que pueda utilizarse para tratar o reparar diversas enfermedades genéticas, incluida la fibrosis quística», afirma Daniel Anderson, profesor del Departamento de Ingeniería Química del MIT y miembro del Instituto Koch de Investigación Integral del Cáncer y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT.

En un estudio con ratones, Anderson y sus colegas utilizaron las partículas para liberar ARNm que codifica la maquinaria necesaria para la edición genética CRISPR/Cas9. Esto podría abrir la puerta al diseño de nanopartículas terapéuticas capaces de eliminar y sustituir genes patógenos.

Los pulmones en el punto de mira

El ARN mensajero tiene un gran potencial terapéutico para tratar diversas enfermedades causadas por genes defectuosos. Hasta ahora, un obstáculo para su despliegue ha sido la dificultad para administrarlo en la parte correcta del cuerpo sin efectos no deseados. Las nanopartículas inyectadas suelen acumularse en el hígado, por lo que ya están en marcha varios ensayos clínicos que evalúan posibles tratamientos con ARNm para enfermedades hepáticas. Las vacunas Covid-19 basadas en ARN, que se inyectan directamente en el tejido muscular, también han demostrado su eficacia. En muchos de esos casos, el ARNm se encapsula en una nanopartícula lipídica, una esfera grasa que protege al ARNm de su descomposición prematura y le ayuda a entrar en las células diana.

Hace varios años, el laboratorio de Anderson se propuso diseñar partículas que pudieran transfectar mejor las células epiteliales que constituyen la mayor parte del revestimiento de los pulmones. En 2019, su laboratorio creó nanopartículas que podían transportar ARNm que codificaba una proteína bioluminiscente a las células pulmonares. Esas partículas estaban hechas de polímeros en lugar de lípidos, lo que las hacía más fáciles de aerosolizar para su inhalación en los pulmones. Sin embargo, es necesario seguir trabajando en esas partículas para aumentar su potencia y maximizar su utilidad.

En su nuevo estudio, los investigadores se propusieron desarrollar nanopartículas lipídicas que pudieran dirigirse a los pulmones. Las partículas están formadas por moléculas que contienen dos partes: un grupo de cabeza con carga positiva y una larga cola lipídica. La carga positiva del grupo de cabeza ayuda a las partículas a interactuar con el ARNm cargado negativamente, y también ayuda al ARNm a escapar de las estructuras celulares que engullen las partículas una vez que entran en las células.

La estructura lipídica de la cola, por su parte, ayuda a las partículas a atravesar la membrana celular. Los investigadores idearon 10 estructuras químicas distintas para las colas lipídicas, junto con 72 grupos de cabeza diferentes. Seleccionando distintas combinaciones de estas estructuras en ratones, los investigadores pudieron identificar las que tenían más probabilidades de llegar a los pulmones.

Administración eficaz

En otras pruebas con ratones, los investigadores demostraron que podían utilizar las partículas para transportar ARNm con componentes CRISPR/Cas9 diseñados para eliminar una señal de parada codificada genéticamente en las células pulmonares de los animales. Cuando se elimina esa señal, se activa el gen de una proteína fluorescente. La medición de esta señal fluorescente permite a los investigadores determinar qué porcentaje de las células expresó con éxito el ARNm.

Los investigadores descubrieron que, tras una dosis de ARNm, alrededor del 40% de las células epiteliales pulmonares estaban transfectadas. Dos dosis elevaron el nivel a más del 50 por ciento, y tres dosis hasta el 60 por ciento. Las dianas más importantes para tratar la enfermedad pulmonar son dos tipos de células epiteliales llamadas células club y células ciliadas, y cada una de ellas se transfectó en un 15 por ciento aproximadamente.

«Esto significa que las células que pudimos editar son realmente las células de interés para la enfermedad pulmonar», afirma Li. «Este lípido puede permitirnos transportar ARNm al pulmón de forma mucho más eficaz que cualquier otro sistema de transporte conocido hasta ahora».

Las nuevas partículas también se descomponen rápidamente, lo que permite eliminarlas del pulmón en pocos días y reducir el riesgo de inflamación. Las partículas también pueden administrarse varias veces al mismo paciente si es necesario repetir la dosis. Esto las hace más ventajosas que otro método de administración de ARNm, que utiliza una versión modificada de adenovirus inofensivos. Estos virus son muy eficaces en la administración de ARN, pero no pueden administrarse repetidamente porque inducen una respuesta inmunitaria en el huésped.

Para administrar las partículas en este estudio, los investigadores utilizaron un método llamado instilación intratraqueal, que suele emplearse como modelo de administración de medicamentos en los pulmones. Ahora están trabajando para que las nanopartículas sean más estables y puedan aerosolizarse e inhalarse con un nebulizador.

Los investigadores también tienen previsto probar las partículas para liberar ARNm capaz de corregir la mutación genética del gen causante de la fibrosis quística en un modelo de ratón de la enfermedad. También esperan desarrollar tratamientos para otras enfermedades pulmonares, como la fibrosis pulmonar idiopática, así como vacunas de ARNm que podrían administrarse directamente en los pulmones.

REFERENCIA

Combinatorial design of nanoparticles for pulmonary mRNA delivery and genome editing