Липидные наночастицы на основе тиофена доставляют мРНК в легкие и сетчатку

Для доставки мРНК часто используют липидные наночастицы. Эффективность доставки зависит в том числе от типа входящих в состав наночастиц ионизируемых липидов — молекул, которые содержат чувствительные к pH функциональные группы. Ученые из Массачусетского технологического института (США) и коллабораторы разработали ионизируемые липиды с гетероциклом — тиофеном. Наночастицы с этими липидами таргетируют легкие или сетчатку глаза, а не печень, как обычные наночастицы.

Для получения 2-аминотиофенового мотива ученые использовали реакцию Гевальда, в которую вступают α-цианоэфир и элементная сера. Реакция позволяет включать функциональные группы во все четыре позиции тиофенового ядра. Авторы работали с аминогруппами.

Сначала ученые получили ряд тиолипидов с разной длиной липидного хвоста. Они выяснили, что в хвосте должно быть не менее 16 атомов углерода: только в таком случае не требовалось затрачивать дополнительные усилия на солюбилизацию. Из-за этого исследователи предпочитали работать с пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и линолевой кислотами. Далее они рассмотрели влияние количества липидных хвостов. Наилучшие результаты показывали тиолипиды с двумя ненасыщенными хвостами из линолевой кислоты, а добавление третьего хвоста не давало значимых преимуществ.

Далее ученые рассмотрели эффект от различного расположения хвостов и ионизируемой головки липидов относительно друг друга. Оказалось, что это влияет на тропизм липидных наночастиц. Так, липидные наночастицы, где линолевые хвосты находились на противоположных сторонах тиофенового цикла, достигали легких и селезенки мышей. Если же хвосты находились по одну сторону тиофенового цикла, то они оказывались в печени и селезенки. Пока ученым неизвестна причина тропизма наночастиц к легким.

Исследователи создавали наночастицы различного состава, куда входили два вышеупомянутых липида. В результате оказалось, что для тиолипидов не подходит стандартный состав 50/10/38,5/1,5 (ионизируемый липид/фосфолипид/холестерин/ПЭГ-конъюгированный липид), который обычно используется для липидных наночастиц. Лучшие результаты показывали наночастицы, в которых доля ионизируемого липида была выше 60% за счет снижения доли холестерина ниже 30%. В таком случае улучшалась стабильность наночастиц.

Ученые также сравнили эффективность доставки нуклеиновых кислот в липидных наночастицах с тиолипидами или коммерчески доступными ионизируемыми липидами в составе (DLin-MC3-DMA). В наночастицы упаковывали ДНК-штрихкоды с мРНК люциферазы FLuc или без нее. Авторы получили наночастицы, эффективно доставляющие груз в легкие и селезенку, а не в печень.

Также ученые оценили возможность доставки мРНК с помощью липидных наночастиц в глаза. Сначала они доставили в липидных наночастицах из тиолипидов (состав 60/20/19/0,5) мРНК Cre-рекомбиназы в глаза мышей линии Ai9, в которых после Cre-рекомбинации появляется экспрессия красного флуоресцентного белка dtTomato. По результатам иммунофлуоресцентного анализа ученые подтвердили, что мРНК была доставлена в пигментный эпителий сетчатки, фоторецепторы и в клетки Мюллера. Такие результаты достигались при использовании тиолипидов, в которых линолевые хвосты находились по одну сторону от тиофенового кольца. При использовании тиолипидов, где хвосты располагались по разные стороны от цикла, доставка происходила только в пигментный эпителий сетчатки, так же, как и при использовании коммерчески доступных липидных наночастиц.

Ученые доставили липидные наночастицы из тиолипидов, где хвосты находились по одну сторону от тиофена, с мРНК зеленого флуоресцентного белка (EGFP) в сетчатку обезьян. Они проверили две дозы субретинальных инъекций — 2,5 мкг и 25 мкг. Также части обезьян давали иммуносупрессанты, так как после субретинальных инъекций в сетчатке наблюдалась инфильтрация иммунных клеток. И при использовании иммуносупрессантов, и без них после введения большей дозы в сетчатке приматов флуоресценция была выше, чем после введения малой дозы. Однако при высокой дозе в сетчатке накапливался клеточный дебрис, особенно у животных, которым не давали иммуносупрессанты. При этом иммунофлуоресцентный анализ показал, что ученым удалось трансфицировать EGFP и в пигментный эпителий сетчатки, и в фоторецепторы. При повышении дозировки флуоресценция накапливалась и в палочках, и колбочках, а иммуносупрессия повышала эффективность доставки EGFP только в палочки. Также исследователи показали, что после инъекции липидных наночастиц в сосудистой оболочке глаза наблюдалась инфильтрация микроглии, но не других иммунных клеток. Этого эффекта можно было избежать за счет иммуносупрессии, хотя ученые и показали, что наблюдение велось только в течение 48 часов после инъекции.

Таким образом, ученые получили наночастицы на основе ионизируемых липидов, содержащих тиофеновое кольцо. В зависимости от расположения липидных хвостов наночастицы обладали разным тропизмом. Так, при использовании тиолипидов, в которых хвосты располагались по разные стороны от гетероцикла, наночастицы были более склонны к попаданию в легкие, и причины этого ученые будут выяснять в будущем. А наночастицы на основе тиолипидов, в которых хвосты были по одну сторону от тиофенового кольца, эффективно трансфицировали эпителий сетчатки и фоторецепторы и у мышей, и у обезьян. Все это указывает на то, что наночастицы из тиолипидов могут использоваться для доставки мРНК при лечении болезней легких и сетчатки.