Το mRNA, ή αγγελιοφόρος RNA, είναι ένας τύπος μορίου που μεταφέρει γενετικές πληροφορίες από το DNA στον μηχανισμό κατασκευής πρωτεΐνης- του κυττάρου. Με την παροχή mRNA στα κύτταρα, μπορούμε να τα δώσουμε εντολή να παράγουν οποιαδήποτε πρωτεΐνη θέλουμε, όπως αντισώματα, ένζυμα, ορμόνες ή εμβόλια. Αυτό ανοίγει έναν νέο κόσμο δυνατοτήτων για τη θεραπεία διαφόρων ασθενειών, από μολυσματικές ασθένειες έως καρκίνο.
Σε αυτό το άρθρο, θα σας παρουσιάσουμε τα βασικά της θεραπείας με mRNA, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου λειτουργίας, του τρόπου παρασκευής της, του τρόπου χορήγησης και του τρόπου εφαρμογής της. Θα μοιραστούμε επίσης μερικές από τις πιο πρόσφατες προόδους και προκλήσεις σε αυτόν τον συναρπαστικό τομέα της βιοτεχνολογίας.
Πώς λειτουργεί η θεραπεία με mRNA;
Η θεραπεία mRNA λειτουργεί με την εισαγωγή συνθετικών μορίων mRNA στα κύτταρα, όπου μεταφράζονται σε λειτουργικές πρωτεΐνες. Ανάλογα με τον τύπο και τον σκοπό της πρωτεΐνης, η θεραπεία με mRNA μπορεί να έχει διαφορετικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα:
Τα εμβόλια mRNA μπορούν να πυροδοτήσουν μια ανοσολογική απόκριση έναντι ενός συγκεκριμένου παθογόνου, όπως ο νέος κοροναϊός που προκαλεί το COVID-19. Με την παροχή mRNA που κωδικοποιεί μια ιική πρωτεΐνη, όπως η πρωτεΐνη ακίδας, μπορούμε να διεγείρουμε την παραγωγή αντισωμάτων και Τ κυττάρων που μπορούν να αναγνωρίσουν και να εξαλείψουν τον ιό.
Τα αντισώματα mRNA μπορούν να παρέχουν παθητική ανοσία έναντι μιας ασθένειας, όπως η λύσσα ή ο HIV. Με την παροχή mRNA που κωδικοποιεί ένα μονοκλωνικό αντίσωμα, μπορούμε να προσφέρουμε άμεση προστασία έναντι ενός συγκεκριμένου αντιγόνου, χωρίς να βασιζόμαστε στο ανοσοποιητικό σύστημα του ίδιου του σώματος.
Η αντικατάσταση πρωτεΐνης mRNA μπορεί να αποκαταστήσει τη λειτουργία μιας πρωτεΐνης που λείπει ή είναι ελαττωματική, όπως ο παράγοντας VIII στην αιμορροφιλία ή η δυστροφίνη στη μυϊκή δυστροφία. Με την παροχή mRNA που κωδικοποιεί μια φυσιολογική έκδοση της πρωτεΐνης, μπορούμε να διορθώσουμε την υποκείμενη αιτία της νόσου και να βελτιώσουμε τα συμπτώματα.
Η επεξεργασία γονιδίου mRNA μπορεί να τροποποιήσει το γονιδίωμα ενός κυττάρου, όπως η διόρθωση μιας μετάλλαξης ή η εισαγωγή ενός νέου γονιδίου. Παρέχοντας mRNA που κωδικοποιεί προγραμματιζόμενες νουκλεάσες, όπως το CRISPR/Cas9, μπορούμε να στοχεύσουμε και να επεξεργαστούμε συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA με υψηλή ακρίβεια και αποτελεσματικότητα.
Πώς παράγεται το mRNA;
Το mRNA παράγεται με μια διαδικασία που ονομάζεται in vitro μεταγραφή (IVT), η οποία χρησιμοποιεί ένα πρότυπο DNA και ένα ένζυμο πολυμεράσης RNA για τη σύνθεση μορίων RNA. Το εκμαγείο DNA περιέχει μια αλληλουχία προαγωγέα και την κωδικεύουσα αλληλουχία της επιθυμητής πρωτεΐνης. Η RNA πολυμεράση συνδέεται με τον προαγωγέα και μεταγράφει το DNA σε RNA.
Για να εξασφαλιστεί ότι το συνθετικό mRNA είναι λειτουργικό και σταθερό στα κύτταρα, γίνονται αρκετές τροποποιήσεις κατά τη διάρκεια ή μετά την IVT. Αυτά περιλαμβάνουν:
Κάλυψη: προσθήκη ενός τροποποιημένου νουκλεοτιδίου στο 5' άκρο του mRNA για την προστασία του από την αποικοδόμηση και την ενίσχυση της αποτελεσματικότητάς του στη μετάφραση. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πωμάτων, όπως το Cap 0, το Cap 1 και το Cap 2, τα οποία διαφέρουν ως προς τα επίπεδα μεθυλίωσης τους.
Πολυαδενυλίωση: προσθήκη μιας σειράς νουκλεοτιδίων αδενίνης στο 3' άκρο του mRNA για να αυξηθεί η σταθερότητα και η ημιζωή του. Το μήκος της ουράς πολυ(Α) μπορεί να κυμαίνεται από 10 έως 250 νουκλεοτίδια.
Βελτιστοποίηση: προσαρμογή των δομικών στοιχείων του mRNA, όπως η 5' αμετάφραστη περιοχή (UTR), το 3' UTR και το ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης (ORF), για τη βελτίωση του επιπέδου έκφρασης και της δραστηριότητάς του. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση της χρήσης του κωδικονίου, την εισαγωγή λειτουργικών πεπτιδίων ή αλληλουχιών σήματος ή την προσθήκη αυτο-ενισχυόμενων στοιχείων.
Τροποποίηση: αλλαγή της χημικής δομής ορισμένων νουκλεοτιδίων στο mRNA για μείωση της ανοσογονικότητάς του και αύξηση της σταθερότητάς του. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει την αντικατάσταση της ουριδίνης με ψευδουριδίνη ή Ν1-μεθυλψευδουριδίνη ή την προσθήκη μεθυλομάδων σε άλλες θέσεις.
Πώς παρέχεται το mRNA;
Η παροχή mRNA είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη θεραπεία με mRNA, καθώς τα μόρια mRNA είναι μεγάλα, αρνητικά φορτισμένα και επιρρεπή σε αποικοδόμηση από ένζυμα σε βιολογικά υγρά. Ως εκ τούτου, αναπτύσσονται διάφοροι τύποι φορέων για την προστασία και τη μεταφορά mRNA στα κύτταρα. Αυτά περιλαμβάνουν:
Νανοσωματίδια λιπιδίων (LNPs): σφαιρικά σωματίδια που αποτελούνται από λιπίδια που σχηματίζουν μια διπλή στοιβάδα γύρω από τα μόρια mRNA. Τα LNPs μπορούν να συντηχθούν με τις κυτταρικές μεμβράνες και να απελευθερώσουν mRNA στο κυτταρόπλασμα. Τα LNP χρησιμοποιούνται ευρέως για την παροχή mRNA λόγω της υψηλής απόδοσης και της βιοσυμβατότητάς τους. Μερικά παραδείγματα LNPs είναι τα κατιονικά στερεά λιπιδικά νανοσωματίδια (SLNs), τα ιονιζόμενα νανοσωματίδια λιπιδίων (ILNs) και τα ανοσοδιεγερτικά λιπιδικά νανοσωματίδια (ISLNs).
Νανοσωματίδια πολυμερούς (PNPs): σφαιρικά σωματίδια που αποτελούνται από πολυμερή που σχηματίζουν μια δομή του πυρήνα- γύρω από τα μόρια mRNA. Τα PNPs μπορούν να εισέλθουν στα κύτταρα με ενδοκύττωση και να διαφύγουν από τα λυσοσώματα με επίδραση σπόγγου πρωτονίου ή ενζυματική αποικοδόμηση. Τα PNP είναι ευέλικτα και προσαρμόσιμα για διαφορετικές εφαρμογές. Μερικά παραδείγματα PNP είναι η πολυαιθυλενιμίνη (PEI), το πολυ(γαλακτικό-συν-γλυκολικό οξύ) (PLGA) και η χιτοζάνη.
Κατιονικά νανογαλακτώματα (CNEs): σταγονίδια ελαίου-σε-γαλακτώματα νερού που περιέχουν κατιονικά λιπίδια και τασιενεργά. Τα CNE μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τις κυτταρικές μεμβράνες και να παραδώσουν mRNA στο κυτταρόπλασμα. Τα CNE είναι εύκολο να παρασκευαστούν και να κλιμακωθούν και μπορούν να ενισχύσουν την ανοσογονικότητα των εμβολίων mRNA. Μερικά παραδείγματα CNE είναι τα DOTAP/DOPE, DOTAP/χοληστερόλη και DOTAP/MCT.
Άλλα συστήματα παροχής mRNA: ορισμένοι άλλοι τύποι φορέων που έχουν διερευνηθεί για την παροχή mRNA είναι το-συμπυκνωμένο mRNA πρωταμίνης, τα εξωσώματα, τα εξωκυτταρικά κυστίδια (EVs), το μεσοπορώδες πυρίτιο και το φωσφορικό ασβέστιο (CaP).
Ποιες είναι οι εφαρμογές της θεραπείας με mRNA;
Η θεραπεία με mRNA έχει τη δυνατότητα να θεραπεύσει ένα ευρύ φάσμα ασθενειών, από μολυσματικές ασθένειες έως μεταβολικές διαταραχές, από καρκίνο έως καρδιαγγειακές παθήσεις και από γενετικές ασθένειες έως την αναγεννητική ιατρική. Μερικές από τις τρέχουσες και αναδυόμενες εφαρμογές της θεραπείας με mRNA είναι:
Εμβόλια mRNA: τα εμβόλια mRNA μπορούν να προκαλέσουν μια ισχυρή και ειδική ανοσολογική απόκριση έναντι διαφόρων παθογόνων, όπως SARS-CoV-2, ιός γρίπης, HIV, αναπνευστικό συγκυτιακό ιό (RSV), ιός απλού έρπητα (HSV), ιός ανεμευλογιάς ζωστήρα (VZV), ιός δάγκειος ιούς (HCMVga), ανθρώπινος ιός δαγκίτιδας. Τα εμβόλια mRNA έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα παραδοσιακά εμβόλια, όπως ταχεία ανάπτυξη, χαμηλό κόστος, υψηλή ασφάλεια και εύκολη επεκτασιμότητα.
Αντισώματα mRNA: Τα αντισώματα mRNA μπορούν να παρέχουν παθητική ανοσία έναντι διαφόρων ασθενειών, όπως η λύσσα, ο HIV, ο Έμπολα, ο Ζίκα, ο άνθρακας και ο COVID-19. Τα αντισώματα mRNA έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών αντισωμάτων, όπως μακροχρόνια έκφραση, χαμηλή ανοσογονικότητα, υψηλή σταθερότητα και εύκολη χορήγηση.
Αντικατάσταση πρωτεΐνης mRNA: Η αντικατάσταση πρωτεΐνης mRNA μπορεί να αποκαταστήσει τη λειτουργία μιας λείπει ή ελαττωματικής πρωτεΐνης σε διάφορες ασθένειες, όπως η αιμορροφιλία, η μυϊκή δυστροφία, η κυστική ίνωση, η φαινυλκετονουρία, η νόσος Fabry, η νόσος Gaucher και η νόσος του Πάρκινσον. Η αντικατάσταση πρωτεΐνης mRNA έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι της πρωτεϊνικής θεραπείας, όπως η αποφυγή ανοσογονικότητας, η ενίσχυση της βιοδιαθεσιμότητας και η μείωση της δόσης και της συχνότητας.
Επεξεργασία γονιδίου mRNA: Η επεξεργασία γονιδίων mRNA μπορεί να τροποποιήσει το γονιδίωμα ενός κυττάρου σε διάφορες ασθένειες, όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία, η βήτα-θαλασσαιμία, η νόσος του Huntington, η μυϊκή δυστροφία Duchenne και η κυστική ίνωση. Η επεξεργασία γονιδίων mRNA έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη γονιδιακή θεραπεία-που βασίζεται στο DNA, όπως η αποφυγή ενσωμάτωσης στο γονιδίωμα του ξενιστή, η μείωση των επιπτώσεων εκτός στόχου και η αύξηση της ειδικότητας και της αποτελεσματικότητας.
Θεραπεία κυττάρων mRNA: Η κυτταρική θεραπεία mRNA μπορεί να χειριστεί τη λειτουργία ενός κυττάρου σε διάφορες ασθένειες, όπως ο καρκίνος, τα αυτοάνοσα νοσήματα, ο διαβήτης και οι καρδιαγγειακές παθήσεις. Η κυτταρική θεραπεία mRNA έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη συμβατική κυτταρική θεραπεία, όπως η αποφυγή ιικών φορέων, η ενίσχυση της ασφάλειας και της ευελιξίας και η διευκόλυνση της παραγωγής και του ποιοτικού ελέγχου.
Ποιες είναι οι προκλήσεις και οι ευκαιρίες της θεραπείας με mRNA;
Η θεραπεία mRNA είναι ένας πολλά υποσχόμενος και αναδυόμενος τομέας της βιοτεχνολογίας που έχει δείξει μεγάλες δυνατότητες στη θεραπεία διαφόρων ασθενειών. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις και περιορισμοί που πρέπει να ξεπεραστούν για να εφαρμοστεί ευρέως στην κλινική πράξη. Αυτά περιλαμβάνουν:
-Βελτίωση της σταθερότητας και της αποτελεσματικότητας παράδοσης των μορίων mRNA in vivo
-Μείωση της ανοσογονικότητας και της τοξικότητας των μορίων και των φορέων του mRNA
-Βελτιστοποίηση του επιπέδου έκφρασης και της διάρκειας των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από mRNA-
-Ανάπτυξη τυποποιημένων πρωτοκόλλων και μέτρων ποιοτικού ελέγχου για την παραγωγή mRNA
-Αξιολόγηση της μακροπρόθεσμης-ασφάλειας και αποτελεσματικότητας της θεραπείας με mRNA σε ανθρώπους
-Παρά αυτές τις προκλήσεις, υπάρχουν επίσης πολλές ευκαιρίες και πλεονεκτήματα που κάνουν τη θεραπεία με mRNA ελκυστική επιλογή για τη μελλοντική ιατρική. Αυτά περιλαμβάνουν:
-Αξιοποίηση της ευελιξίας και της ποικιλομορφίας του σχεδιασμού και της σύνθεσης του mRNA
-Αξιοποίηση της εγγενούς ανοσογονικότητας και επικουρικότητας των μορίων mRNA
-Εκμετάλλευση της παροδικής έκφρασης και αναστρεψιμότητας των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από mRNA-
-Εξερεύνηση των συνεργιστικών επιδράσεων του συνδυασμού θεραπείας με mRNA με άλλες μεθόδους
-Επιτάχυνση της διαδικασίας ανάπτυξης και έγκρισης προϊόντων mRNA
Prisys Biotechnology, μια εταιρεία που ειδικεύεται σεέρευνα για μη-ανθρώπινα πρωτεύοντα (NHP).και υπηρεσίες για την προκλινική ανάπτυξη φαρμάκων. Θεραπεία mRNA, ένας τύπος μορίου που μπορεί να δώσει εντολή στα κύτταρα να παράγουν οποιαδήποτε πρωτεΐνη θέλουμε, όπως αντισώματα, ένζυμα, ορμόνες ή εμβόλια. Cynomolgus macaques, ένα είδος NHP που μοιράζεται πολλές ομοιότητες με τον άνθρωπο όσον αφορά την ανατομία, τη φυσιολογία, την ανοσολογία και τη γενετική. Prisys Biotechnology στην έρευνα και ανάπτυξη φαρμάκων mRNA και μοντέλα NHP ως εξής:
Η Prisys Biotechnology διαθέτει μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα πόρων NHP, μοντέλων ασθενειών και κλινικών νοσοκομείων για να παρέχει λύσεις για διάφορους τομείς ασθενειών, όπως ανοσολογία, φλεγμονές, καρδιαγγειακές παθήσεις, αιματολογία, ήπαρ, νεφρός, πνεύμονες και ογκολογία.
Η Prisys Biotechnology προσφέρει επιλογές συνεργασίας ανάπτυξης για συνεργασίες Ε&Α και καινοτόμες τεχνολογίες όπως το σύστημα ποσοτικοποίησης της συμπεριφοράς σε βάθος{0}}βασισμένο σε 3D στο NHP.
Η Prisys Biotechnology χρησιμοποιεί cynomolgus macaques ως ζωικό μοντέλο για θεραπεία με mRNA, τα οποία είναι πιο αξιόπιστα και σχετικά από άλλα ζωικά μοντέλα, όπως ποντίκια ή αρουραίοι.
Η Prisys Biotechnology μπορεί να δοκιμάσει τη δυνατότητα και τη σκοπιμότητα της θεραπείας mRNA για διάφορες ασθένειες μετρώντας την ηλεκτρική αντίσταση, τις μαγνητικές ιδιότητες, τη φαρμακοκινητική, την τοξικότητα, την ανοσογονικότητα και την αποτελεσματικότητα των μορίων και των φορέων mRNA στα NHP.
