Наночастицы с мРНК перепрограммируют красный костный мозг

Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток (HSC), располагающихся в красном костном мозге (ККМ) и дающих начало миелоидной и лимфоидной линиям, может быть вариантом лечения при незлокачественных заболеваниях крови (гемоглобинопатии, иммунодефициты). В таком случае производится пересадка аллогенных HSC или генномодифицированных ex vivo аутологичных HSC. В первом случае сложно найти подходящего донора, во втором нужно изолировать HSC от пациента. Перед выполнением любой пересадки необходимо избавиться от собственных клеток ККМ больного с помощью химиотерапии или облучения. Это может сопровождаться острой и хронической системной токсичностью с такими последствиями, как бесплодие или вторичные новообразования. В связи с этим необходима разработка новых вариантов терапии. Исследователи из детской больницы Филадельфии совместно с коллегами из университета Пенсильвании представили вариант модифицирования HSC in vivo, который может быть применен и в качестве лишенной генотоксических эффектов предтрансплантационной подготовки.

Метод основан на использовании липидных наночастиц (LNP), содержащих мРНК и конъюгированных с антителами к CD117 — рецептору фактора стволовых клеток. Этот белок экспрессируется на HSC и некоторых гемопоэтических предшественниках. После связывания с лигандом CD117 интернализуется, что может способствовать проникновению в клетку нового препарата вместе с ним. Очищенные мРНК с модифицированными нуклеозидами неиммуногенны, стабильны и могут применяться для экспрессии практически любого целевого белка. Липидные наночастицы — один из самых перспективных способов упаковки и доставки мРНК, получивший широкое применение после разработки вакцин от коронавируса на их основе. Опубликованная в Science статья посвящена исследованию эффективности нового метода редактирования HSC. 

Вначале с помощью CD117/LNP, содержащих репортерную мРНК (мРНК рекомбиназы Cre), ученые успешно провели редактирование in vivo (на мышиной модели). Мультипотентность отредактированных клеток авторы оценили с помощью репортерного флуоресцентного белка. Облученным мышам трансплантировали клетки ККМ, обработанные ex vivo CD117/LNP-Cre и отслеживали экспрессию репортерного гена. Таким способом ученые убедились в стойком редактировании во всех линиях клеток крови. 

Чтобы оценить целесообразность использования этого препарата для терапевтического редактирования генома человека, ученые использовали LNP с мРНК, кодирующей Cas9, и с гидовой РНК (sgRNA), нацеленной на серповидноклеточную мутацию бета-глобина. Добавление LNP in vitro к четырем образцам серповидноклеточной анемии от разных доноров позволило успешно отредактировать геном клеток. Уровень непатогенного гемоглобина после эритроидной дифференцировки возрастал, а количество патогенного снижалось. Серповидные клетки практически полностью отсутствовали после того, как  исследователи подвергали эритробласты гипоксии. Кроме того, авторы выявили корреляцию между уровнем редактирования и увеличением количества непатогенного гемоглобина.

Затем ученые исследовали возможность элиминировать ККМ с помощью такого подхода. Они показали, что обработка клеток ККМ мышей LNP с мРНК, кодирующими проапоптотическую молекулу PUMA (модулятор апоптоза, активируемый p53), снижала их жизнеспособность через 48 часов. Облученные мыши, которым пересаживали заранее обработанный ex vivo CD117/LNP-PUMA красный костный мозг, погибали в течение двух недель. В то же время пересадка части ККМ, обработанного препаратом и части необработанного, но меченого флуоресцентным белком, показала, что у мышей после пересадки регистрировались только меченые клетки. Все это подтверждало успешное подавление жизнеспособности HSC под действием препарата. 

In vivo применение CD117/LNP-PUMA эффективно истощало HSC, обеспечивая успешное приживление новых клеток костного мозга без необходимости в химиотерапии или облучении. Показатели приживления, наблюдаемые на моделях мышей, соответствовали показателям, достаточным для лечения тяжелого комбинированного иммунодефицита с использованием здоровых донорских клеток костного мозга

Результаты исследования показывают эффективность нового подхода к редактированию HSC in vivo, который может быть использован для модификации HSC и корректировки генетических мутаций в них. Методика может найти применение в терапии заболеваний крови и в качестве генетически нетоксичного режима подготовки к трансплантации ККМ.