Muchas enfermedades se pueden tratar con éxito en el entorno simple de una placa de cultivo celular, pero para tratar con éxito a personas reales, el fármaco tiene que viajar a través del entorno infinitamente más complejo dentro de nuestros cuerpos y llegar, intacto, dentro de las células afectadas. Este proceso, llamado administración de fármacos, es una de las barreras más importantes de la medicina.

Una colaboración entre el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y Genentech, miembro del Grupo Roche, está trabajando para superar algunos de los cuellos de botella en la administración de fármacos mediante el diseño de las nanopartículas lipídicas (LNP) más efectivas: pequeñas bolsas esféricas hechas de grasa moléculas que encapsulan agentes terapéuticos hasta que se acoplan a las membranas celulares y liberan su contenido. El primer medicamento que usó LNP se aprobó en 2018, pero el método de administración saltó a la fama mundial con las vacunas Pfizer y Moderna mRNA Covid.

« Es un sistema bastante inteligente, porque si solo entregas el propio ARN al cuerpo humano, las nucleasas degradan el ARN y no pueden cruzar fácilmente la membrana celular debido a su tamaño y carga, pero los LNP lo entregan de forma segura en la célula. « , explicó el coautor principal Chun-Wan Yen, científico principal sénior en el grupo de Ciencias Farmacéuticas de Moléculas Pequeñas de Genentech.

Los LNP ahora se están explorando ampliamente como un sistema de administración de vacunas para otras enfermedades infecciosas o vacunas terapéuticas para el cáncer. La viabilidad de estas nuevas aplicaciones dependerá de qué tan bien se fusionen las envolturas lipídicas con las células diana, qué tan estables sean las formulaciones de fármaco-LNP en el almacenamiento (para que tengan una vida útil prolongada) y qué tan estables sean en el cuerpo. (para que puedan conferir actividad farmacológica prolongada).

Todas estas propiedades están controladas por la mezcla de moléculas utilizadas para crear el LNP y la estructura 3D resultante de la partícula. El equipo de Yen y sus colegas codirectores Greg Hura y Michal Hammel, ambos biofísicos del laboratorio de Berkeley, han estado estudiando cómo ajustar la estructura de los LNP para las propiedades deseadas durante varios años.

Su último artículo, publicado recientemente en ACS Nano, documenta cómo un flujo de trabajo de alto rendimiento les permite producir y caracterizar LNP a una velocidad récord. El estudio también incluye la primera demostración de cómo la estructura de LNP se correlaciona con la actividad de su contenido, que para esta investigación fue un oligonucleótido antisentido (ASO). Los ASO son pequeños fragmentos de pares de bases de ARN o ADN que bloquean la expresión génica al unirse a hebras de ARNm y evitar que se traduzcan en proteínas. Los ASO son una excelente manera de tratar enfermedades causadas por proteínas defectuosas o la sobreabundancia de una proteína. Pero, al igual que el ARNm, son susceptibles a las nucleasas itinerantes, enzimas que degradan el ARN y el ADN, y las células no las absorben fácilmente.

Los científicos descubrieron que los LNP portadores de ASO con estructuras internas perfectamente ordenadas y empaquetadas conducían a un mejor silenciamiento de un gen defectuoso en las neuronas humanas asociado con una enfermedad degenerativa, en comparación con los LNP que tenían una estructura más desordenada. Los hallazgos provinieron de estudios basados ​​en células, no de estudios en animales, por lo que aún queda más trabajo por delante, pero el equipo está emocionado de aprovechar estos conocimientos utilizando las herramientas complementarias de cada institución.

« Generamos los LNP en alto rendimiento y el equipo de Greg y Michal puede ofrecer el análisis de alto rendimiento », dijo Yen. « Si revisa la publicación hoy en día, generalmente solo hacen una o dos formulaciones, pero para nosotros es diferente. Podemos generar grandes conjuntos de datos, y creo que esa es la razón por la que podemos tener este hallazgo único y genial ».

« Este documento realmente establece el método que vamos a aplicar a las miles de otras formulaciones que pretendemos caracterizar », agregó Hura, quien forma parte del Área de Biociencias de Berkeley Lab. « Esperamos que este sea un método general para que las personas optimicen sus nanopartículas lipídicas. Ya sean vacunas, y nuevamente, las vacunas han recibido la mayor atención hasta ahora, pero este tipo de terapia tiene una aplicación muy amplia más allá de eso ».

Cómo construir una nanopartícula lipídica

Las estructuras de los LNP se ven afectadas por cómo los mezcla, qué mezcla y en qué orden. Los LNP tienen cuatro ingredientes: lípidos ionizables, fosfolípidos auxiliares, colesterol y lípidos de polietilenglicol (lípidos PEG), y cada ingrediente tiene formas diferentes. Además, se pueden combinar en diferentes proporciones, lo que da lugar a un número exponencial de fórmulas posibles. Para complicar aún más las cosas, los LNP cambian con el tiempo. Una formulación que comienza como una esfera nítida y compacta eventualmente se transformará en una estructura más desordenada.

Los científicos de Genentech desarrollaron un flujo de trabajo impulsado por un robot que puede generar cientos de formulaciones de LNP en solo unas pocas horas. Luego, se llevan muestras de cada formulación a Berkeley Lab para realizar una dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en Advanced Light Source, un acelerador de partículas circular que crea haces de rayos X de diferentes energías.

La línea de luz biológica SAXS puede procesar rápidamente muchas muestras y, a diferencia de otras formas de difracción de rayos X en materiales biológicos, las muestras no necesitan congelarse ni cristalizarse, lo que podría cambiar la estructura de los LNP e impedir que los científicos descubran qué los LNP se verían a temperaturas fisiológicas en el cuerpo humano. SAXS también les permite tomar instantáneas de LNP en puntos de tiempo específicos para determinar su longevidad estructural.

Además, el equipo de Genentech utiliza un proceso acelerado para estudiar cómo los LNP afectan la expresión génica en sus células diana. Al combinar todas estas técnicas aceleradas, toda la colaboración puede detectar LNP potenciales a un ritmo sin precedentes.

Yen planea continuar usando la línea de luz SAXS para estudiar pequeños detalles, como cómo un cambio del 1% en la concentración de ingredientes o el uso de una nueva máquina durante la producción puede afectar la actividad celular de LNP, así como grandes preguntas, como si los LNP se comportan de manera diferente si son transportando otros tipos de carga y cómo interactúan con diferentes celdas objetivo.

« Sabemos que los LNP de ARNm funcionan, pero todavía hay una gran brecha de conocimiento », dijo Yen. « Es por eso que siento que nuestro artículo es pionero en este campo y, con suerte, también podemos generar más datos y comprensión para las aplicaciones futuras ».

Los otros autores que contribuyeron a este trabajo son: Yuchen Fan, Apoorva Sarode, Amy E. Byrnes, Nanzhi Zang, Ponien Kou, Karthik Nagapudi, Dennis Leung, Casper C. Hoogenraad y Tao Chen.

El ALS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. La línea de luz SIBYLS donde se realizó el SAXS cuenta con el apoyo parcial de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del DOE.