Forscher haben ein Nanopartikel entwickelt, das Stammzellen im Körper programmieren kann, wodurch die Notwendigkeit für Chemotherapie und Knochenmarkentnahme bei Stammzellbehandlungen entfällt.
James Dahlman und sein Forschungsteam haben eine Technik geschaffen, die zu neuen, weniger invasiven Behandlungen für Blutkrankheiten und genetische Erkrankungen führen könnte. Diese Methode vermeidet das Unbehagen und die Risiken, die mit aktuellen Behandlungen verbunden sind, und vereinfacht den Prozess für die Patienten.
„Dies wäre eine Alternative zu invasiven hämatopoetischen Stammzelltherapien – wir könnten Ihnen einfach einen IV-Tropf geben“, sagt Dahlman, Professor im Bereich Biomedizinisches Ingenieurwesen an der Georgia Tech. „Es vereinfacht den Prozess und reduziert die Risiken für die Patienten. Deshalb ist diese Arbeit wichtig.“
Dahlman und ein Team von Georgia Tech, der Emory University und der University of California, Davis, veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Biotechnology.
Hämatopoetische Stammzellen (HSCs) sind Elternzellen, die sich im Knochenmark befinden und alle Zelltypen produzieren, die für die Aufrechterhaltung des Blutes und des Immunsystems erforderlich sind. Ihre Vielseitigkeit macht HSCs zu einem wertvollen therapeutischen Werkzeug zur Behandlung genetischer Blutkrankheiten, wie z.B. Sichelzellanämie, Immunmangel und einige Krebsarten.
Traditionelle HSC-Therapien beinhalten die Entnahme von Zellen aus dem Knochenmark des Patienten und deren Umgestaltung in einem Labor, während der Patient eine Chemotherapie durchläuft, um seinen Körper auf die modifizierten HSCs vorzubereiten.
„Diese Therapien sind effektiv, aber auch belastend für die Patienten“, erklärt Dahlman. „Patienten unterziehen sich einer Chemotherapie, um ihre Immunsysteme zu eliminieren, damit der Körper die therapeutischen Zellen ohne Widerstand akzeptiert. Das Verfahren kann lebensbedrohlich sein. Wir hoffen, das zu ändern.“
HSCs können auch direkt im Körper modifiziert werden. Das Verfahren verwendet lipidische Nanopartikel (LNP), um genetische Anweisungen zu den Stammzellen zu transportieren. Die LNPs haben zielgerichtete Liganden, die darauf ausgelegt sind, spezifische Zielzellen zu finden. Die präzise Konstruktion fügt dem Prozess Schichten von Zeit, Komplexität und Kosten hinzu. Sie sind, ähnlich wie die Entnahme aus dem Knochenmark und Chemotherapie, ein weiterer Mittelsmann.
Die Forscher wollten etwas Einfacheres. Sie fanden es in einem spezifischen Nanopartikel namens LNP67. „Im Gegensatz zu anderen Nanopartikel-Designs benötigt dieses keinen zielgerichteten Liganden“, sagt Dahlman. „Es ist chemisch einfach, was bedeutet, dass es einfacher herzustellen ist und die Tür öffnet, um die Produktion zu skalieren, ähnlich wie bei mRNA-Impfstoffen.“
Der Schlüssel zum Erfolg von LNP67 liegt in seiner Fähigkeit, die Leber zu umgehen, den primären Blutfilter des Körpers. „Die Leber absorbiert fast alles“, sagt Dahlman. „Aber wenn wir das, was sie aufnimmt, um nur 10 % reduzieren, können wir die Lieferung an andere Gewebe, in denen die Nanopartikel und ihre Lasten benötigt werden, verdoppeln.“
Die Forscher entwickelten 128 einzigartige Nanopartikel und reduzierten die Liste auf 105 LNPs, die keine zielgerichteten Liganden hatten. Diese wurden letztendlich auf ihre Leistung bei der effektiven und sicheren Lieferung genetischer Anweisungen (in Form von mRNA) geprüft und bewertet.
LNP67 erwies sich als der beste Performer dank seines heimlichen Designs. Beispielsweise ist die Oberfläche so gestaltet, dass sie Proteine und andere Moleküle abstößt, die das LNP zur Erfassung durch die Leber markieren würden. Dieses Merkmal half den Partikeln, gleichmäßiger im Körper zu zirkulieren und die HSCs zu erreichen.
„Wir haben eine Niedrigdosislieferung ohne Ziel-Liganden erreicht, was aufregend ist“, sagt Dahlman. „Das ist etwas, worauf wir seit Jahren hinarbeiten, und ich bin sehr froh, dass wir es geschafft haben.“
Die Finanzierung dieser Forschung kam von den National Institutes of Health und der National Science Foundation. James Dahlman, Marine Z. C. Hatit und Huanzhen Ni haben ein vorläufiges Patent in Bezug auf dieses Manuskript angemeldet (US-Patent-Anmeldungsnummer 63/632,354).