As nanopartículas lipídicas, ou LNPs, são mais conhecidas por seu papel na entrega das vacinas de mRNA contra a COVID-19, administradas a bilhões de pessoas. Agora, os cientistas estão expandindo seu uso muito além das vacinas. Pesquisadores estão trabalhando para usar esses pequenos transportadores para entregar mRNA terapêutico dentro das células para o tratamento do câncer, doenças inflamatórias e até sistemas CRISPR projetados para corrigir mutações genéticas prejudiciais.
No entanto, o progresso foi desacelerado por um desafio persistente. Para que as LNPs funcionem dentro do corpo, elas devem se fundir com as membranas celulares e liberar sua carga. Embora esse processo funcione de forma eficiente em experimentos de laboratório, é muito menos eficaz em condições biológicas reais.
Cientistas Descobrem uma Solução Simples com Aminoácidos
Uma equipe de pesquisa do Biohub identificou uma maneira surpreendentemente simples de melhorar esse processo. Em um estudo publicado na Science Translational Medicine, pesquisadores liderados por Daniel Zongjie Wang, PhD, e Shana O. Kelley, Ph.D., mostraram que adicionar três aminoácidos comuns — metionina, arginina e serina — juntamente com as LNPs pode aumentar drasticamente o desempenho. Esta combinação aumentou a entrega de mRNA em até 20 vezes e elevou a eficiência da edição gênica CRISPR de cerca de 25% para quase 90% após uma única dose.
“A edição gênica e as terapias baseadas em mRNA desempenharão papéis cada vez mais importantes na medicina do futuro, mas elas requerem que as LNPs cheguem e entrem nas células”, disse Kelley, presidente de bioengenharia no Biohub e chefe do Biohub, Chicago, onde cientistas estão decifrando os processos inflamatórios que impulsionam uma ampla gama de doenças. “Qualquer formulação de LNP em desenvolvimento hoje poderia potencialmente se beneficiar de nossa abordagem.”
A descoberta decorre da estratégia mais ampla da equipe de estudar a biologia em condições que melhor refletem o corpo humano. “Foi exatamente isso que nos levou aqui”, disse Wang, que lidera o Grupo de Ómicas Espaciotemporais do Biohub. “Ao perguntar por que as LNPs apresentam desempenho tão diferente no ambiente fisiológico do corpo, encontramos uma resposta surpreendentemente simples que poderia tornar uma ampla gama de terapias de mRNA e edição gênica substancialmente mais eficazes.”
Uma Barreiras Metabólica Dentro das Células
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar o desempenho das LNPs se concentrou na redesignação das nanopartículas em si. Cientistas testaram centenas de novas combinações de lipídios e usaram inteligência artificial para explorar inúmeras formulações. Apesar desses esforços, os resultados clínicos permaneceram decepcionantes.
Os pesquisadores do Biohub adotaram uma abordagem diferente. Em vez de modificar o sistema de entrega, eles investigaram se as próprias células estavam limitando a absorção. Eles exploraram se poderia ser possível incentivar as células a absorverem as LNPs mais prontamente.
“O campo gastou um enorme esforço em engenharia de nanopartículas”, disse Wang. “Descobrimos, no entanto, que o estado metabólico da célula é uma parte igualmente importante — e abordável — da equação.”
O trabalho deles revelou que o metabolismo desempenha um papel fundamental. As células cultivadas em laboratório padrão estão expostas a condições ricas em nutrientes que diferem significativamente daquelas dentro do corpo humano. Quando a equipe cultivou células em um meio que se assemelha mais ao plasma sanguíneo humano, a absorção das LNPs caiu bruscamente entre 50% e 80%.
Análises adicionais mostraram que várias vias metabólicas relacionadas a aminoácidos estavam menos ativas sob essas condições mais realistas. Isso sugere que as células no corpo operam com menos nutrientes disponíveis, o que limita sua capacidade de absorver nanopartículas.
Uma Solução Simples com Efeitos Poderosos
Para abordar essa limitação, os pesquisadores desenvolveram um suplemento direcionado contendo metionina, arginina e serina. Quando essa mistura foi administrada juntamente com as LNPs, os resultados foram impressionantes. A produção de proteína a partir do mRNA entregue aumentou entre 5 e 20 vezes em diversos tipos de células, tanto em experimentos de laboratório quanto em animais vivos.
A melhoria se manteve verdadeira em diferentes métodos de entrega — intramuscular, intratraqueal e intravenosa — e funcionou independentemente do design específico da nanopartícula ou do material genético sendo entregue. Estudos adicionais mostraram que os aminoácidos melhoram uma via celular que permite que as nanopartículas entrem nas células de forma mais eficiente.
Melhorias Drásticas em Estudos em Animais
A equipe testou a abordagem em modelos de doenças usando tanto terapias com mRNA quanto edição gênica CRISPR.
Em um modelo de camundongo de insuficiência hepática aguda induzida por paracetamol — a principal causa de falência hepática induzida por medicamentos em pacientes humanos — os camundongos tratados com mRNA de hormônio de crescimento entregue apenas por LNPs tiveram uma taxa de sobrevivência de apenas 33%. Quando o mesmo tratamento foi combinado com o suplemento de aminoácidos, a sobrevivência subiu para 100%. Os níveis da proteína terapêutica aumentaram quase nove vezes, enquanto os indicadores de dano hepático e inflamação caíram para níveis quase normais.
Em outro experimento, os pesquisadores entregaram componentes CRISPR-Cas9 aos pulmões de camundongos. Sem o suplemento, a eficiência da edição gênica variou de 20 a 30%. Com a mistura de aminoácidos, a eficiência subiu para entre 85 e 90% após uma única dose. Esse nível de melhoria pode ser especialmente importante para condições como a fibrose cística, onde a correção gênica eficaz no tecido pulmonar é essencial.
Um Caminho Prático para Uso Clínico
Um dos aspectos mais promissores dessa descoberta é quão fácil pode ser aplicá-la em tratamentos do mundo real. O suplemento utiliza aminoácidos que já são produzidos em grande escala e são considerados seguros. Ao contrário de outras estratégias que exigem a alteração das nanopartículas ou a modificação genética das células, essa abordagem poderia ser simplesmente adicionada a formulações existentes.
Ao focar na biologia da célula em vez de redesenhar o sistema de entrega, os pesquisadores podem ter encontrado uma maneira prática de desbloquear todo o potencial das terapias de mRNA e das tecnologias de edição gênica.
