Покрытая сахаром полимерная гранула в 500 раз эффективнее доставила ДНК в клетку

Российские и американские ученые разработали инновационную невирусную систему доставки ДНК в клеточные культуры иммунных клеток. Ранее уже были попытки использовать гранулы ДНК с положительно заряженным полимером, однако у такого метода была низкая эффективность. В своей работе ученые дополнительно покрыли гранулы сахаром маннозой и увеличили эффективность доставки в 500 раз. Разработка поможет лечить раковые опухоли. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Macromolecular Bioscience.

Генная инженерия все больше входит в повседневную жизнь каждого человека: модификации генов используют для повышения урожайности и устойчивости растений к патогенам, а также для получения новых штаммов бактерий и грибов, которые могут синтезировать практически любые вещества, начиная от топлива и заканчивая антибиотиками. Кроме того, такой подход может помочь лечить болезни человека и животных, например, возвращать способность видеть при потере зрения.

Для медицинских целей необходимо сделать доставку ДНК в целевую клетку как можно более безопасной. Существует множество методов, однако наиболее оптимальным считается использование вирусных частиц: они прилипают только к белкам на поверхности определенных клеток и, кроме того, не вызывают их гибель. Хотя вирусные доставщики не содержат собственного генетического материала и не могут размножаться в клетках, процесс их синтеза и сборки сложен и требует контроля на всех этапах производства, чтобы не допустить появления настоящих вирусов.

Невирусные доставщики ДНК тоже можно улучшить таким образом, чтобы генетический материал поступал только в конкретные клетки организма, например в макрофаги. Макрофаги — одни из иммунных клеток — в норме должны защищать организм от инфекций и рака. Однако если уже есть опухоль, она может «завербовать» часть макрофагов для своей защиты от остального иммунитета. Методы генной инженерии могут помочь уничтожить таких клеточных «предателей» или рекрутировать их назад, тем самым ослабив опухоль.

В своей работе исследователи из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Небрасского университета (Омаха) и Университета Северной Каролины (Чапел-Хилл) эффективно доставили ДНК в клетки с помощью положительно заряженных полимеров. Положительный заряд в этом случае нужен для связывания отрицательно заряженной ДНК. Из таких полимеров самопроизвольно собираются частицы, которые дальше можно модифицировать: добавить дополнительные связи внутри клубка и тем самым сделать его более прочным или покрыть частицу оболочкой. Ученые определили способность доставлять генетический материал у частиц из двух разных полимеров, содержащих в составе аминокислотные мономеры из лизина или аспарагиновой кислоты. Они оценивали, как дополнительные сшивки и оболочка из сахара маннозы влияют на выживаемость макрофагов и способность частиц помещать генетический материал в эти клетки.

В клетку доставляли ДНК флуоресцентных белков, которая способна заставить клетку светиться. Это помогло определить, удалось ли перенести в клетку нуклеиновые кислоты с помощью полимерных частиц: чем сильнее свечение культуры клеток, тем успешнее доставка. Оказалось, что среди всех исследуемых вариантов наиболее эффективны полимерные частицы с аспарагиновой кислотой, покрытые маннозой и без внутренних сшивок. В этом случае выживает 80% клеток, что выше, чем у некоторых популярных методов. Например, при бомбардировке клеток золотыми частицами с ДНК выживает лишь половина. Более того, эффективность переноса нуклеиновых кислот у таких частиц в 500 раз больше показателя для клубков полимера без маннозной оболочки.

«Несмотря на успех наших опытов, эффективность доставки была немного меньше, чем для некоторых известных аналогов, предложенных для доставки ранее. Однако они не направлены специфически в иммунные клетки и не могут быть применены на людях из-за своей высокой токсичности. В отличие от таких подходов, наш метод подходит для человека», — комментирует руководитель проекта по гранту РНФ Александр Кабанов, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, руководитель лаборатории химического дизайна бионаноматериалов химического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.