Muitas doenças podem ser tratadas com sucesso no ambiente simples de uma placa de cultura de células, mas para tratar com sucesso pessoas reais, o agente farmacêutico tem que fazer uma viagem através do ambiente infinitamente mais complexo dentro de nossos corpos e chegar, intacto, dentro das células afetadas. Esse processo, chamado de drug delivery, é uma das barreiras mais significativas na medicina.
Uma colaboração entre o Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e a Genentech, um membro do Roche Group, está trabalhando para romper alguns dos gargalos de entrega de medicamentos, projetando as nanopartículas lipídicas (LNPs) mais eficazes – pequenas bolsas esféricas feitas de gordura moléculas que encapsulam agentes terapêuticos até que se encaixem nas membranas celulares e liberem seu conteúdo. O primeiro medicamento a usar LNPs foi aprovado em 2018, mas o método de entrega ganhou destaque global com as vacinas Pfizer e Moderna mRNA Covid.
“É um sistema bastante inteligente, porque se você apenas entregar o próprio RNA ao corpo humano, o RNA é degradado por nucleases e não pode atravessar facilmente a membrana celular devido ao seu tamanho e carga, mas os LNPs o entregam com segurança na célula, ” explicou o co-autor principal Chun-Wan Yen, cientista principal sênior do grupo de Ciências Farmacêuticas de Pequenas Moléculas da Genentech.
Os LNPs agora estão sendo amplamente explorados como um sistema de entrega de vacinas para outras doenças infecciosas ou vacinas terapêuticas para o câncer. A viabilidade dessas novas aplicações dependerá de quão bem os envelopes lipídicos se fundem com as células-alvo, quão estáveis são as formulações de droga-LNP no armazenamento (para que tenham uma vida útil longa) e quão estáveis são no corpo (para que possam conferir atividade medicamentosa prolongada).
Todas essas propriedades são controladas pela mistura de moléculas usadas para criar o LNP e a estrutura 3D resultante da partícula. A equipe de Yen e seus colegas co-líderes Greg Hura e Michal Hammel, ambos biofísicos do Berkeley Lab, estudam como ajustar a estrutura dos LNPs para as propriedades desejadas há vários anos.
Seu último artigo, publicado recentemente em ACS Nano, documenta como um fluxo de trabalho de alto rendimento permite produzir e caracterizar LNPs em velocidade recorde. O estudo também inclui a primeira demonstração de como a estrutura da LNP se correlaciona com a atividade de seu conteúdo, que para esta investigação foi um oligonucleotídeo antisense (ASO). ASOs são pequenos fragmentos de pares de bases de RNA ou DNA que bloqueiam a expressão gênica ligando-se a cadeias de mRNA e impedindo-as de serem traduzidas em proteínas. ASOs são uma ótima maneira de tratar doenças causadas por proteínas defeituosas ou o excesso de uma proteína. Mas, como o mRNA, eles são suscetíveis a nucleases itinerantes – enzimas que degradam o RNA e o DNA – e as células não os absorvem prontamente.
Os cientistas descobriram que os LNPs portadores de ASO com estruturas internas organizadas e bem compactadas levaram a um melhor silenciamento de um gene defeituoso em neurônios humanos associado a uma doença degenerativa, em comparação com os LNPs que tinham uma estrutura mais desordenada. As descobertas foram de estudos baseados em células, não em estudos com animais, então ainda há mais trabalho pela frente, mas a equipe está animada para desenvolver essas percepções usando as ferramentas complementares de cada instituição.
“Geramos os LNPs em alto rendimento e a equipe de Greg e Michal pode oferecer a análise de alto rendimento”, disse Yen. “Se você verificar a publicação hoje em dia, eles normalmente fazem apenas uma ou duas formulações, mas para nós é diferente. Podemos gerar grandes conjuntos de dados e acho que essa é a razão pela qual podemos ter essa descoberta única e interessante.”
“Este artigo realmente define o método que vamos aplicar às milhares de outras formulações que pretendemos caracterizar”, acrescentou Hura, que faz parte da área de biociências do Berkeley Lab. “Esperamos que este seja um método geral para as pessoas otimizarem suas nanopartículas lipídicas. Quer sejam vacinas, e novamente, as vacinas receberam a maior atenção até agora, mas esse tipo de terapia tem uma aplicação muito ampla além disso.”
Como construir uma nanopartícula lipídica
As estruturas dos LNPs são afetadas por como você os mistura, o que você mistura e em que ordem. Os LNPs têm quatro ingredientes – lipídios ionizáveis, fosfolipídios auxiliares, colesterol e lipídios de polietileno glicol (PEG-lipídios) – e cada ingrediente tem formas diferentes. Além disso, eles podem ser combinados em diferentes proporções, levando a um número exponencial de fórmulas possíveis. Para complicar ainda mais as coisas, os LNPs mudam com o tempo. Uma formulação que começa como uma esfera bem compactada acabará se transformando em uma estrutura mais desordenada.
Os cientistas da Genentech desenvolveram um fluxo de trabalho acionado por robô que pode gerar centenas de formulações de LNP em apenas algumas horas. Amostras de cada formulação são então levadas ao Berkeley Lab para realizar a dispersão de raios-X de pequeno ângulo (SAXS) no Advanced Light Source, um acelerador de partículas circulares que cria feixes de raios-X de diferentes energias.
A linha de luz biológica SAXS pode processar rapidamente muitas amostras e, ao contrário de outras formas de difração de raios-X em materiais biológicos, as amostras não precisam ser congeladas ou cristalizadas – o que poderia alterar a estrutura dos LNPs e impedir que os cientistas descubram o que os LNPs se pareceriam com temperaturas fisiológicas no corpo humano. O SAXS também permite que eles tirem instantâneos de LNPs em pontos de tempo especificados para determinar sua longevidade estrutural.
Além disso, a equipe da Genentech usa um processo acelerado para estudar como os LNPs afetam a expressão gênica em suas células-alvo. Ao combinar todas essas técnicas aceleradas, toda a colaboração é capaz de rastrear possíveis LNPs em uma taxa sem precedentes.
Yen planeja continuar usando a linha de luz SAXS para estudar pequenos detalhes, como uma mudança de 1% na concentração de ingredientes ou o uso de uma nova máquina durante a produção pode afetar a atividade celular do LNP, bem como grandes questões, como se os LNPs se comportam de maneira diferente se forem carregando outros tipos de carga e como eles interagem com diferentes células-alvo.
“Sabemos que os LNPs de mRNA funcionam, mas ainda há uma enorme lacuna de conhecimento”, disse Yen. “É por isso que sinto que nosso artigo é pioneiro neste campo e esperamos que também possamos gerar mais dados e entendimento para futuras aplicações”.
Os outros autores que contribuíram para este trabalho são: Yuchen Fan, Apoorva Sarode, Amy E. Byrnes, Nanzhi Zang, Ponien Kou, Karthik Nagapudi, Dennis Leung, Casper C. Hoogenraad e Tao Chen.
O ALS é uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciências. O SIBYLS Beamline onde o SAXS foi realizado é apoiado em parte pelo Departamento de Pesquisa Biológica e Ambiental do DOE Office of Science.