Гибридные наночастицы научились доставлять РНК в клетки сердца

Доставить РНК в сердце: гибрид экзосом и липосом пытается решить одну из главных проблем кардиотерапии

Сердечный фиброз — не просто рубец после повреждения

После инфаркта, хронической перегрузки сердца, воспаления или при некоторых наследственных заболеваниях миокард начинает перестраиваться. Одной из частей этого процесса становится фиброз — избыточное накопление компонентов внеклеточного матрикса, прежде всего коллагена.

В норме образование соединительной ткани помогает стабилизировать поврежденный участок. Проблема начинается тогда, когда этот ответ становится чрезмерным или хроническим. Миокард делается жестче, нарушаются его сокращение и расслабление, меняется электрическая проводимость, а со временем могут развиваться сердечная недостаточность и аритмии.

Важную роль здесь играют сердечные фибробласты — клетки, которые при повреждении активируются и начинают производить компоненты внеклеточного матрикса. Но современное представление о фиброзе значительно сложнее простой схемы «повреждение — фибробласт — коллаген». Кардиомиоциты, иммунные клетки, клетки сосудов и фибробласты постоянно обмениваются молекулярными сигналами, в том числе при помощи внеклеточных пузырьков.

Исследования последних лет показали, что среди таких сигналов могут быть микроРНК и другие некодирующие РНК. Они способны менять активность генов в клетке-получателе и тем самым усиливать или, напротив, подавлять процессы, связанные с фиброзом.

Именно поэтому РНК одновременно интересна исследователям как часть механизма заболевания и как потенциальный лекарственный инструмент.

Для РНК проблема начинается еще до встречи с клеткой

Идея РНК-терапии привлекательна своей молекулярной точностью. Например, малая интерферирующая РНК, или siRNA, может снижать образование определенного белка, заставляя клеточную систему разрушать соответствующую матричную РНК. Другие типы терапевтических РНК позволяют воздействовать на микроРНК или изменять экспрессию нужных генов.

Но выбрать молекулярную мишень недостаточно. РНК должна пережить путь по организму, попасть в нужную ткань, проникнуть внутрь нужной клетки и затем высвободиться там, где сможет выполнить свою функцию.

Свободная РНК для этого неудобна. Она относительно быстро разрушается ферментами, плохо проходит через клеточные мембраны, а при системном введении значительная часть лекарственного материала может оказаться совсем не там, где требуется.

Эта проблема уже имеет практическое решение для некоторых органов. Наиболее известный пример — липидные наночастицы, используемые для доставки РНК. Но распределение наночастиц в организме зависит от их химического состава, размера, заряда и взаимодействия с белками крови. Многие системы после внутривенного введения преимущественно накапливаются в печени.

С сердцем задача значительно сложнее. Поэтому разработка РНК-препарата для миокарда фактически состоит из двух связанных задач: найти правильную молекулу и построить для нее транспорт.

НМИЦ Алмазова объединил искусственную капсулу с биологическим пузырьком

Группа НМИЦ им. В. А. Алмазова пошла по пути гибридизации двух типов носителей — липосом и экзосом.

Липосомы представляют собой искусственно создаваемые пузырьки с оболочкой из липидов — веществ, из которых в значительной степени построены и клеточные мембраны. Их состав можно контролировать, а внутрь или в структуру липосомы можно помещать лекарственные молекулы.

В работе использовались катионные липосомы, то есть частицы с положительным электрическим зарядом. Это важно для РНК: ее молекулы несут отрицательный заряд, поэтому электростатическое взаимодействие облегчает формирование комплекса между РНК и липидным носителем.

Второй компонент — экзосомы. Это очень небольшие мембранные пузырьки, которые клетки естественным образом выделяют во внеклеточное пространство. Они переносят между клетками белки, липиды и нуклеиновые кислоты и являются частью естественной системы межклеточной коммуникации.

Исследователи объединили свойства искусственных липосом и биологических внеклеточных пузырьков в гибридных наночастицах. Логика такого подхода состоит в том, чтобы совместить управляемость и способность липидной системы связывать терапевтический груз с биологическими свойствами мембран внеклеточных везикул.

Подобная стратегия изучается и международными группами. Гибриды липосом и внеклеточных везикул рассматриваются как один из способов повысить загрузку РНК и одновременно использовать свойства биологических мембран для взаимодействия с клетками.

На человеческих клетках гибрид оказался эффективнее отдельных компонентов

По данным, представленным сотрудницей НМИЦ им. В. А. Алмазова Олесей Довбыш, новую систему проверяли на первичных культурах клеток сердца человека, включая мезенхимальные стволовые клетки сердца, а также на кардиомиоцитах, полученных путем дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток.

Последняя модель особенно интересна. Плюрипотентные стволовые клетки способны превращаться в разные типы клеток организма; если направить их развитие по определенной программе, можно получить кардиомиоциты и исследовать взаимодействие потенциальной терапии непосредственно с клетками сердечной мышцы человека.

В этих экспериментах гибридные частицы из липосом и экзосом доставляли РНК эффективнее, чем отдельные компоненты и использованные для сравнения готовые коммерческие средства.

Это важный технический результат, но его границы необходимо обозначить точно. Речь идет об исследовании клеточных культур. Из представленных данных нельзя сделать вывод, что наночастицы способны после введения человеку избирательно накапливаться в сердце, уменьшать фиброз или улучшать работу миокарда.

Между эффективной доставкой РНК в клетку в лаборатории и лекарственным препаратом остается несколько крупных экспериментальных ступеней.

Экзосомы могут быть и транспортом, и участником самого фиброза

Особый интерес к экзосомам в кардиологии связан с тем, что они не являются биологически нейтральными контейнерами.

Исследования показали, что кардиомиоциты способны передавать фибробластам микроРНК посредством экзосом и тем самым изменять их поведение. В экспериментальных моделях отдельные экзосомальные микроРНК усиливали превращение фибробластов в активные клетки, производящие внеклеточный матрикс.

В других экспериментах внеклеточные везикулы, напротив, демонстрировали противофибротические свойства. В исследовании с везикулами, полученными из взрослых человеческих кардиомиоцитов, их применение снижало признаки активации сердечных фибробластов; в животной модели уменьшалась площадь фиброза.

Это показывает принципиальную особенность технологии: биологический пузырек нельзя рассматривать просто как миниатюрную упаковку. Его собственный молекулярный груз, происхождение и состояние клетки, которая его произвела, могут влиять на терапевтический результат.

Для будущего лекарственного производства это означает необходимость чрезвычайно жесткого контроля состава и свойств внеклеточных везикул.

Международные исследования уже пытаются направлять РНК непосредственно к поврежденному сердцу

Российская разработка развивается не изолированно. Несколько исследовательских направлений одновременно пытаются решить проблему адресной доставки нуклеиновых кислот в миокард.

В экспериментальной работе на модели сердечного повреждения исследователи модифицировали внеклеточные везикулы аптамером к белку активации фибробластов — молекулярной структуре, повышенная экспрессия которой характерна для активированных фибробластов. В везикулы загрузили siRNA против TGF-β1 — одного из ключевых сигналов, участвующих в формировании фиброза. В модели на мышах такая система уменьшала фиброз и улучшала показатели функции сердца.

Другой подход использовал липосомы с пептидом, направляющим их к сердечной ткани, для доставки ингибитора miR-185-5p. В экспериментальной модели дилатационной кардиомиопатии у мышей лечение сопровождалось уменьшением фиброза и улучшением функции левого желудочка.

Эти результаты не означают, что проблема доставки РНК в сердце уже решена. Напротив, разнообразие экспериментальных платформ показывает, что универсального носителя пока нет. Исследователи проверяют липидные наночастицы, модифицированные экзосомы, гибридные системы, вирусные векторы и различные молекулы, способные направлять носитель к определенным клеткам.

Конкуренция идет не только за эффективность проникновения в клетку. Будущая система должна одновременно быть достаточно стабильной в крови, избегать быстрого удаления иммунной системой, доставлять достаточную дозу, минимально воздействовать на другие органы и при этом воспроизводимо производиться в промышленном масштабе.

Главный вопрос начинается после успешного эксперимента в чашке

Для гибридных частиц НМИЦ им. В. А. Алмазова следующим принципиальным испытанием станет поведение в живом организме.

Частица, которая эффективно проникает в кардиомиоциты в культуре, после внутривенного введения сталкивается с совершенно другой средой. На ее поверхности быстро адсорбируются белки плазмы, она взаимодействует с иммунными клетками и эндотелием сосудов, может задерживаться печенью и селезенкой и выводиться из кровотока раньше, чем достигнет сердца.

Необходимо будет установить фармакокинетику и распределение частиц по органам, определить дозу, длительность сохранения РНК, токсичность и иммунные реакции. Не менее важно доказать, что доставленная РНК действительно меняет выбранный молекулярный механизм заболевания и что это приводит к функционально значимому результату.

Отдельная проблема касается стандартизации экзосом. Синтетическую липидную частицу сравнительно легко описать через набор химических компонентов. Биологические везикулы сложнее: их состав зависит от клеток-источников, условий выращивания и методов выделения. Для превращения такой платформы в лекарство потребуется обеспечить воспроизводимость между производственными сериями.

Есть и методологическая трудность. Липосомы и экзосомы близки по размерам и способны взаимодействовать друг с другом, поэтому при исследованиях гибридных систем важно убедительно показать, какие именно частицы образовались и какой компонент обеспечивает наблюдаемый эффект. На эту проблему ранее обращали внимание авторы обзоров технологий экзосомальной доставки РНК.

Если доставка станет точной, изменится сама логика лечения фиброза

Практическая ценность подобных исследований выходит за пределы одной наночастицы.

Современное лечение сердечно-сосудистых заболеваний способно существенно уменьшать нагрузку на сердце и риск осложнений, однако непосредственно управлять конкретными молекулярными программами патологического фиброза значительно сложнее. РНК-терапия теоретически позволяет вмешиваться в такие процессы гораздо точнее.

Для пациента это в перспективе могло бы означать не просто лечение последствий ремоделирования сердца, а воздействие на отдельные механизмы, поддерживающие патологическое изменение ткани. Для исследователей появляется возможность выбирать разные РНК для одной транспортной платформы и тем самым адаптировать ее к конкретной молекулярной мишени.

Но именно слово «перспектива» здесь принципиально. Представленная российская работа пока показывает эффективность доставки на клеточных моделях, а не эффективность терапии заболевания. До потенциального клинического применения необходимы исследования на животных, изучение безопасности и распределения частиц, выбор терапевтической РНК, подтверждение противофибротического эффекта и затем полноценная программа клинической разработки.

Тем не менее направление важно уже сейчас. У РНК-терапии постепенно смещается главный технологический вопрос: от того, способны ли мы создать молекулу, изменяющую работу нужного гена, к тому, способны ли мы доставить эту молекулу именно туда, где она должна работать.