As nanopartículas lipídicas, ou LNPs, são amplamente reconhecidas por sua função na entrega das vacinas de mRNA contra a COVID-19, administradas a bilhões de pessoas. No entanto, os cientistas estão ampliando seu uso para além das vacinas. Pesquisadores estão explorando como essas minúsculas transportadoras podem entregar mRNA terapêutico em células para o tratamento de câncer, doenças inflamatórias e até sistemas CRISPR projetados para corrigir mutações genéticas prejudiciais.
No entanto, o progresso tem sido dificultado por um desafio persistente. Para que as LNPs funcionem no organismo, elas precisam se fundir com as membranas celulares e liberar seu conteúdo. Embora esse processo funcione de maneira eficiente em experimentos de laboratório, é muito menos eficaz em condições biológicas reais.
Cientistas Descobrem Uma Solução Simples com Aminoácidos
Uma equipe de pesquisa no Biohub identificou uma maneira surpreendentemente simples de melhorar esse processo. Em um estudo publicado na Science Translational Medicine, os pesquisadores liderados por Daniel Zongjie Wang, PhD, e Shana O. Kelley, Ph.D., demonstraram que adicionar três aminoácidos comuns – metionina, arginina e serina – junto com as LNPs pode aumentar drasticamente o desempenho. Essa combinação aumentou a entrega de mRNA em até 20 vezes e elevou a eficiência da edição genética com CRISPR de cerca de 25% para quase 90% após uma única dose.
“Terapias baseadas em edição genética e mRNA desempenharão papéis cada vez mais importantes na medicina do futuro, mas elas exigem que as LNPs alcancem e entrem nas células,” disse Kelley, presidente de bioengenharia no Biohub e chefe do Biohub, Chicago, onde os cientistas estão decodificando os processos inflamatórios que impulsionam uma ampla gama de doenças. “Qualquer formulação de LNP em desenvolvimento hoje pode potencialmente se beneficiar da nossa abordagem.”
A descoberta deriva de uma estratégia mais ampla da equipe de estudar a biologia sob condições que refletem melhor o corpo humano. “Foi exatamente isso que nos trouxe até aqui,” afirmou Wang, que lidera o Grupo de Ómics Espaciotemporais do Biohub. “Ao questionar por que as LNPs têm um 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 genética substancialmente mais eficazes.”
Uma Barreira Metabólica Dentro das Células
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar o desempenho das LNPs se concentrou na reformulação das nanopartículas. Cientistas testaram centenas de novas combinações de lipídios e utilizaram inteligência artificial para explorar inúmeras formulações. Apesar desses esforços, os resultados clínicos continuaram a ser decepcionantes.
Os pesquisadores do Biohub adotaram uma abordagem diferente. Em vez de modificar o sistema de entrega, investigaram se as próprias células estavam limitando a absorção. Eles exploraram a possibilidade de incentivar as células a absorverem as LNPs de forma mais eficaz.
“O campo gastou um esforço enorme em engenharia de nanopartículas,” disse Wang. “No entanto, descobrimos 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 crucial. 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 acentuadamente em 50 a 80 por cento.
Uma análise mais aprofundada mostrou que várias vias metabólicas relacionadas aos aminoácidos estavam menos ativas nessas 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 junto com as LNPs, os resultados foram impressionantes. A produção de proteínas a partir do mRNA entregue aumentou entre 5 e 20 vezes em vários tipos celulares, tanto em experimentos de laboratório quanto em animais vivos.
A melhoria foi consistente em diferentes métodos de entrega – intramuscular, intratraqueal e intravenosa – e funcionou independentemente do design específico da nanopartícula ou do material genético em questão. Estudos adicionais mostraram que os aminoácidos aprimoram uma via celular que permite que as nanopartículas entrem nas células com mais eficiência.
Melhorias Dramáticas em Estudos com Animais
A equipe testou a abordagem em modelos de doenças usando tanto terapias de mRNA quanto edição genética CRISPR.
Em um modelo de camundongo com 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 tinham 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 danos e inflamação no fígado caíram para níveis quase normais.
Em outro experimento, os pesquisadores entregaram componentes do CRISPR-Cas9 aos pulmões de camundongos. Sem o suplemento, a eficiência da edição genética variou de 20 a 30 por cento. Com a mistura de aminoácidos, a eficiência subiu para entre 85 e 90 por cento após uma única dose. Esse nível de melhoria pode ser especialmente importante para condições como fibrose cística, em que a correção genética eficaz nos tecidos pulmonares é essencial.
Um Caminho Prático em Direção ao Uso Clínico
Um dos aspectos mais promissores dessa descoberta é a facilidade com que pode ser aplicada em tratamentos do mundo real. O suplemento utiliza aminoácidos que já são produzidos em larga escala e são considerados seguros. Ao contrário de outras estratégias que exigem alteração das nanopartículas ou modificação genética das células, essa abordagem poderia simplesmente ser 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 genética.
