Новая система визуализации носителей выявила возможную причину осложнений мРНК-вакцин на сердце
Статья в Nature Biotechnology представляет систему визуализации носителей препаратов (липидных наночастиц, ДНК-оригами и вирусных векторов) в организме мыши с разрешением в одну клетку. Она основана на комбинации DISCO-микроскопии (при которой ткани делают прозрачными) и аннотации на базе ИИ. Высокая чувствительность системы позволила выявить нецелевую экспрессию РНК, доставляемой липидными наночастицами, в тканях сосудов сердца. С этим могут быть связаны осложнения со стороны сердца при иммунизации мРНК-вакцинами.

Липидные наночастицы, визуализированные с помощью технологии SCP-Nano на клеточном уровне в легочной ткани.
Credit:
Helmholtz Munich / Ali Ertürk | Пресс-релиз
В настоящее время все больше препаратов представлено макромолекулами (РНК, системами геномного редактирования, белковыми препаратами), обладающими высокой эффективностью. Однако существует проблема доставки таких препаратов в нужные ткани. Для этой цели разработано несколько систем доставки, таких как липидные наночастицы (LNP), ДНК-оригами и вирусные векторы. Одно из основных препятствий при разработке систем доставки — оценка их распределения в тканях организма после введения. Традиционные методы визуализации не обладают достаточным разрешением для идентификации отдельных таргетируемых клеток и часто не справляются с малыми концентрациями препарата. В новом исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, представлена система визуализации на основе DISCO-микроскопии и искусственного интеллекта, позволяющая изучить распределение препарата во всем организме мыши вплоть до отдельных клеток.
За основу системы авторы взяли метод DISCO (также называемый 3DISCO) микроскопии. Биологические образцы обрабатывают специальными растворами, повышающими их прозрачность, чтобы показатель преломления тканей был как можно ближе к среде, в которой они находятся. Такой подход позволяет визуализировать флуоресцентные метки внутри тканей без или с минимальным нарушением их целостности. Авторы оптимизировали существующий протокол, чтобы добиться максимальной чувствительности даже при малых дозах тестового препарата — наночастиц на основе MC3-липида, несущих РНК, кодирующую улучшенный зеленый флуоресцентный протеин (EGFP) и помеченную флуоресцентной краской Alexa. Гистологический анализ показал, что DISCO-микроскопия не влияла на уровень флуоресценции.
Кроме высокого разрешения для работы системы также необходим стабильный метод аннотации полученных изображений, с чем не справились существующие алгоритмы. Авторы разработали собственную модель на основе искусственного интеллекта. Для ее обучения авторы использовали 31 3D-участок разных частей организма, который был аннотирован вручную с применением виртуальной реальности и разделен на тренировочный и верификационный наборы. Итоговой модели удалось достичь предсказательного значения F1, равного 0,7329 (от 0,6857 до 0,7967 для отдельных органов). Для сравнения, традиционные методы имели значение F1 менее 0,5. Комбинированная система из DISCO-микроскопии и ИИ модели получила название SCP-Nano (Single Cell Precision Nanocarrier Identification).
Авторы использовали SCP-Nano для сравнения разных методов доставки препарата. Так, они показали, что назальная доставка приводит к локализации наночастиц преимущественно в легких, а внутривенная и внутримышечная — в печени и селезенке. Также они проанализировали распределение наночастиц в лимфатических узлах при внутримышечной доставке.
Далее исследователи посмотрели, какие из клеток, получивших LNP, транслируют заключенную в них РНК. Среди прочего, высокая чувствительность метода позволила выявить экспрессию EGFP в тканях сердца. Учитывая, что многие вакцины используют такие же LNP, авторы решили изучить данное явление более подробно, повторив опыт с РНК, кодирующей S-белок SARS-CoV-2, используемый в вакцинах. В повторном опыте также наблюдалась трансляционная активность в сердце. Более подробный иммуногистологический анализ показал, что она локализирована в эндотелиальных клетках сосудов сердца. Более того, протеомный анализ выявил дерегуляцию протеома — введение препарата изменяло уровень экспрессии более 700 белков в сосудах сердца, включая белки, задействованные в поддержании сосудистой структуры. Полученные результаты могут объяснить сообщения о побочных эффектах вакцин, связанных с сердечно-сосудистой системой, однако авторы отмечают необходимость дополнительных исследований.
Наконец, функциональность SCP-Nano была проверена на других носителях — ДНК-оригами и аденовирусных векторах.
Таким образом, представленная в работе система значительно расширяет возможности оценки распределения широкого ряда носителей в тканях организма и может способствовать более эффективной разработке и повышению безопасности препаратов.
Флуоресцентные векторы на основе вируса бешенства использовали для картирования нейронных сетей
Источник:
Luo J., et al. Nanocarrier imaging at single-cell resolution across entire mouse bodies with deep learning // Nat Biotechnol, published January 14, 2025, DOI: 10.1038/s41587-024-02528-1