- A maquinaria de edição genética CRISPR pode transformar a medicina, mas é difícil introduzi-la em tecidos e células relevantes para doenças
- Um novo sistema de entrega carrega a maquinaria CRISPR dentro de nanopartículas esféricas de ácidos nucleicos (SNA)
- As partículas entraram nas células três vezes mais efetivamente, triplicaram a eficiência da edição genética e diminuíram a toxicidade em comparação com os métodos de entrega atuais
Com o poder de reescrever o código genético que subjaz a inúmeras doenças, o CRISPR tem uma promessa imensa de revolucionar a medicina. Mas, até que os cientistas consigam entregar sua maquinaria de edição genética de forma segura e eficiente em células e tecidos relevantes, essa promessa permanecerá fora de alcance.
Agora, químicos da Universidade Northwestern revelaram um novo tipo de nanostrutura que melhora dramaticamente a entrega do CRISPR e potencialmente amplia seu escopo de utilidade.
Chamadas de ácidos nucleicos esféricos de nanopartículas lipídicas (LNP-SNAs), essas pequenas estruturas transportam o conjunto completo de ferramentas de edição CRISPR — enzimas Cas9, RNA guia e um template de reparo de DNA — envoltas em uma densa e protetora camada de DNA. Essa cobertura de DNA não apenas protege sua carga, mas também determina quais órgãos e tecidos os LNP-SNAs irão visitar e facilita a entrada nas células.
Em testes de laboratório com diversas células humanas e animais, os LNP-SNAs entraram nas células até três vezes mais efetivamente do que os sistemas de entrega de partículas lipídicas padrão utilizados para vacinas contra COVID-19, causaram muito menos toxicidade e triplicaram a eficiência da edição genética. As novas nanostruturas também melhoraram a taxa de sucesso de reparações precisas de DNA em mais de 60% em comparação com os métodos atuais.
O estudo foi publicado em 5 de setembro na Proceedings of the National Academy of Sciences.
O estudo abre caminho para medicamentos genéticos mais seguros e confiáveis e destaca a importância de como a estrutura de um nanomaterial — e não apenas seus ingredientes — pode determinar sua potência. Este princípio fundamenta a nanomedicina estrutural, um campo emergente pioneirado por Chad A. Mirkin da Northwestern e seus colegas, perseguido por centenas de pesquisadores ao redor do mundo.
“O CRISPR é uma ferramenta incrivelmente poderosa que pode corrigir defeitos em genes para diminuir a suscetibilidade a doenças e até mesmo eliminar doenças,” disse Mirkin, que liderou o novo estudo. “Mas é difícil fazer o CRISPR chegar às células e tecidos que são relevantes. Chegar e entrar nas células certas — e nos locais corretos dentro dessas células — exige um pequeno milagre. Ao usar SNAs para entregar a maquinaria necessária para a edição genética, nosso objetivo era maximizar a eficiência do CRISPR e expandir o número de tipos de células e tecidos que podemos atingir.”
Mirkin, um pioneiro em nanotecnologia e nanomedicina, é Professor George B. Rathmann de Química no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern; professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering; professor de medicina na Feinberg School of Medicine; diretor executivo do Instituto Internacional de Nanotecnologia; e membro do Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center da Northwestern University.
O CRISPR precisa de um transporte
Quando a maquinaria do CRISPR chega ao seu alvo dentro de uma célula, pode desativar genes, corrigir mutações, adicionar novas funções e mais. No entanto, a maquinaria do CRISPR não pode entrar nas células sozinha. Ela sempre precisa de um veículo de entrega.
Atualmente, os cientistas normalmente usam vetores virais e nanopartículas lipídicas (LNPs) para realizar essa função. Naturalmente bons em se infiltrar nas células, os vírus são eficientes, mas podem causar a resposta imunológica do corpo humano, levando a efeitos colaterais dolorosos ou até perigosos. As LNPs, por outro lado, são mais seguras, mas ineficientes. Elas tendem a ficar presas em endossomos, ou compartimentos dentro da célula, onde não conseguem liberar sua carga.
“Apenas uma fração da maquinaria do CRISPR realmente chega à célula, e uma fração ainda menor chega até o núcleo,” disse Mirkin. “Outra estratégia é remover as células do corpo, injetar os componentes do CRISPR e, em seguida, colocar as células de volta. Como você pode imaginar, isso é extremamente ineficiente e imprático.”
Um táxi envolto em DNA
Para superar essa barreira, a equipe de Mirkin recorreu aos SNAs, que são formas globulares — em vez de lineares — de DNA e RNA previamente inventadas no laboratório de Mirkin na Northwestern. O material genético esférico envolve um núcleo de nanopartícula, que pode ser carregado com carga. Com cerca de 50 nanômetros de diâmetro, as pequenas estruturas têm uma capacidade comprovada de entrar nas células para entrega direcionada. Sete terapias baseadas em SNA já estão em ensaios clínicos humanos, incluindo um ensaio clínico de Fase 2 para carcinoma de células de Merkel em desenvolvimento pela Flashpoint Therapeutics, uma startup de biotecnologia em estágio clínico.
No novo estudo, a equipe de Mirkin começou com um núcleo de LNP carregando a maquinaria do CRISPR por dentro. Em seguida, decoraram a superfície da partícula com uma densa camada de curtas cadeias de DNA. Como o DNA pode interagir com os receptores da superfície de uma célula, as células absorvem facilmente os SNAs. O DNA também pode ser projetado com sequências que visam tipos celulares específicos, tornando a entrega mais seletiva.
“Mudanças simples na estrutura da partícula podem mudar dramaticamente a eficiência com que uma célula a absorve,” disse Mirkin. “A arquitetura SNA é reconhecida pela maioria dos tipos de células, então as células tomam ativamente os SNAs e os internalizam rapidamente.”
Desempenho elevado em todos os aspectos
Após sintetizar com sucesso os LNP-SNAs com a carga do CRISPR, Mirkin e sua equipe os adicionaram a culturas celulares, que incluíam células da pele, células brancas do sangue, células-tronco da medula óssea humana e células renais humanas.
Em seguida, a equipe observou e mediu vários fatores importantes: quão eficientemente as células internalizaram as partículas, se as partículas eram tóxicas para as células e se as partículas entregaram um gene com sucesso. Eles também analisaram o DNA das células para determinar se o CRISPR havia feito as edições genéticas desejadas. Em todas as categorias, o sistema demonstrou sua capacidade de entregar com sucesso a maquinaria do CRISPR e possibilitar modificações genéticas complexas.
A seguir, Mirkin planeja validar ainda mais o sistema em vários modelos de doenças in vivo. Como a plataforma é modular, os pesquisadores podem adaptá-la para uma ampla gama de sistemas e aplicações terapêuticas. A spin-off de biotecnologia da Northwestern, Flashpoint Therapeutics, está comercializando a tecnologia com o objetivo de movê-la rapidamente em direção a ensaios clínicos.
“O CRISPR poderia mudar todo o campo da medicina,” disse Mirkin. “Mas como projetamos o veículo de entrega é tão importante quanto as ferramentas genéticas em si. Ao unir duas poderosas biotecnologias — o CRISPR e os SNAs — criamos uma estratégia que pode desbloquear todo o potencial terapêutico do CRISPR.”
O estudo, “Uma estratégia geral de edição do genoma usando ácidos nucleicos esféricos nanoparticulados de CRISPR,” foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa da Força Aérea (número do prêmio FA9550-22-1-0300), pela Fundação Nacional de Ciências (número do prêmio DMR-2428112) e por Edgar H. Bachrach através da Fundação Bachrach.
