Remendando genes para efeitos duradouros

As terapias de edição genética – técnicas que modificam o ADN para tratar ou prevenir doenças – têm o potencial de transformar o campo do desenvolvimento de medicamentos. Ao fazer edições precisas no genoma, genes problemáticos poderiam ser modificados ou eliminados, representando terapias duradouras para doenças genéticas que atualmente não têm tratamento.

Existem poucas terapias de edição genética atualmente. No ano passado, a FDA aprovou uma terapia de edição genética para a doença falciforme, um tratamento histórico que utiliza CRISPR para modificar células-tronco do sangue. Mas, tal como a maioria dos tratamentos experimentais de edição genética, esta terapia requer um transplante de células estaminais, um procedimento dispendioso e demorado que envolve a remoção de células estaminais de um paciente, modificando-as para corrigir os defeitos que causam a doença e reintroduzindo-as de volta ao paciente.

Encontrar uma maneira de modificar as células-tronco de um paciente in vivo – sem precisar removê-las do corpo – poderia revolucionar o campo da edição do genoma.

Pesquisadores da UT Southwestern estão trabalhando para trazer à tona a edição genética in vivo. Através da engenharia racional de nanopartículas lipídicas, esta equipa colaborativa desenvolveu uma forma de atingir eficazmente órgãos específicos do corpo para entregar com precisão uma carga terapêutica, incluindo moléculas de edição genética.

A pesquisa deles demonstrou que um tratamento único com suas nanopartículas resultou em uma edição genética durável em pulmões de camundongos por quase dois anos. Além disso, a sua técnica mostrou-se promissora na correção de uma mutação presente numa forma atualmente intratável de fibrose cística em vários modelos da doença. A pesquisa foi publicada em Ciência.

“Há um desejo real de imaginar uma injeção única de um medicamento que possa corrigir mutações que estão causando e conduzindo doenças”, disse o autor sênior do estudo, Daniel Siegwart, Ph.D., professor do UT Southwestern Medical Center. “Nossa plataforma pré-clínica ilustra um método potencial para obter edição genética de longo prazo nos pulmões, representando uma nova abordagem de tratamento para uma variedade de doenças respiratórias genéticas”.

Classificando

As nanopartículas lipídicas, um método popular de administração de medicamentos graças ao sucesso das vacinas mRNA contra a COVID-19, são normalmente compostas por quatro lípidos (gorduras) diferentes que envolvem a sua carga terapêutica. Embora estas nanopartículas lipídicas tradicionais sejam eficazes no transporte e proteção da sua carga útil, quando infundidas num paciente, acumulam-se num órgão específico: o fígado.

“As nanopartículas lipídicas tradicionais são notavelmente semelhantes às lipoproteínas de baixa densidade (LDL) em termos de tamanho e composição química”, explicou Siegwart. “As partículas de LDL viajam naturalmente para o fígado para serem decompostas, por isso faz sentido que as nanopartículas lipídicas também se acumulem lá”.

Para permitir a entrega a outros tecidos além do fígado, Siegwart e colegas desenvolveram anteriormente uma nova classe de partículas, denominadas nanopartículas de direcionamento seletivo de órgãos (SORT). Além dos quatro lipídios convencionais encontrados nas nanopartículas lipídicas tradicionais, as nanopartículas SORT contêm um quinto lipídio que direciona as partículas para um órgão específico.

Este quinto lipídio afeta as propriedades físico-químicas da nanopartícula e atrai proteínas plasmáticas distintas para sua superfície, dois fatores que influenciam a captação por diferentes tipos de tecidos do corpo.

“Sabíamos que precisávamos quebrar as regras das formulações tradicionais de nanopartículas lipídicas para atingir outros tecidos além do fígado”, disse Siegwart. “Usando o SORT, mostramos que podemos direcionar nanopartículas especificamente para o fígado, baço e pulmões de camundongos. Se essa técnica poderia resultar em edição genética durável e específica de tecido, permaneceu uma questão em aberto.”

Edição pulmonar de longo prazo

Levar as nanopartículas lipídicas ao órgão certo é um primeiro passo importante. Mas para uma edição genética eficaz, também é importante atingir o tipo certo de célula – especificamente, células-tronco e células progenitoras, ou células que podem se tornar diferentes tipos de células.

“Estima-se que as células dos pulmões dos roedores se renovam e se regeneram a cada poucos meses”, disse Siegwart. “Se você conseguir a correção do genoma em células maduras, os efeitos serão temporários: assim que as novas células nascerem, elas não terão mais esses eventos corrigidos e genes com mau funcionamento serão produzidos novamente”.

Para compreender se as suas nanopartículas SORT poderiam conseguir uma edição durável do genoma nos pulmões, Siegwart e colegas usaram um rato geneticamente modificado que tem a capacidade de produzir uma proteína vermelha fluorescente – mas apenas se o seu genoma for editado de uma forma específica.

“É um modelo bonito porque nos permite quantificar quais tipos específicos de células foram editados pelas nanopartículas, e podemos visualizar facilmente onde essas nanopartículas são eficazes”, disse ele.

Os pesquisadores administraram nanopartículas SORT cheias de moléculas de edição genética em camundongos e depois avaliaram os tecidos pulmonares em dez momentos diferentes, variando de dois dias a 22 meses após as injeções. Eles descobriram que a fluorescência vermelha se espalhava uniformemente pelos pulmões em todos os momentos.

Além disso, análises específicas de células revelaram que a edição do genoma foi conseguida em vários tipos diferentes de células, e que a edição foi sustentada ao longo do estudo, quase dois anos após o tratamento com as nanopartículas.

“Quando rastreamos os animais ao longo do tempo, descobrimos que esses eventos de edição do genoma eram completamente persistentes e, quase dois anos depois, os animais foram igualmente editados como no segundo dia”, disse Siegwart. “Isso indica que as nanopartículas podem editar com sucesso populações de células-tronco e progenitoras que, ao longo do tempo, se diferenciam em células saudáveis ​​e editadas.”

Avaliação em modelos de fibrose cística

Com um método para conseguir a edição genética a longo prazo em mãos, Siegwart e colegas voltaram sua atenção para uma doença pulmonar genética: a fibrose cística.

A fibrose cística é causada por mutações em uma bomba de cloreto, uma proteína que pode regular a concentração de sal dentro e fora da célula, explicou Siegwart.

“Quando esta proteína funciona mal, há um equilíbrio inadequado de sal, levando ao acúmulo de muco espesso e pegajoso nos pulmões. Isso pode levar a uma série de diferentes problemas respiratórios, infecções e, eventualmente, danos pulmonares persistentes que podem levar à necessidade de fazer um transplante de pulmão.”

Aproximadamente 90 por cento dos pacientes com fibrose cística podem ser tratados com um medicamento inovador que ajuda esta bomba de cloreto a funcionar de forma mais eficiente. No entanto, alguns pacientes apresentam mutações no seu genoma que levam a uma forma truncada e não funcional desta proteína – ou a proteína não é produzida de todo. Atualmente, esses pacientes não têm opções de tratamento aprovadas.

Neste contexto, Siegwart e colegas concentraram-se numa destas mutações “invencíveis” da fibrose cística. Eles encheram suas nanopartículas pulmonares SORT com um editor de genes que corrige a mutação, transformando a bomba de cloreto truncada na versão normal da proteína. Em seguida, eles avaliaram o desempenho do sistema em modelos de fibrose cística.

Em experimentos utilizando células pulmonares de fibrose cística derivadas de pacientes, os pesquisadores descobriram que o SORT pulmonar poderia corrigir o gene defeituoso, restaurando efetivamente a função da bomba de cloreto em mais de 50%. Além do mais, em um modelo de camundongo portador dessa mutação incontrolável da fibrose cística humana, os pesquisadores descobriram que o SORT pulmonar poderia alcançar a correção genética em quase 50% das células-tronco pulmonares.

“Nossos primeiros resultados sugerem que esta técnica poderá algum dia corrigir proteínas disfuncionais nos pulmões, o que seria absolutamente transformador na vida diária dos pacientes com fibrose cística”, disse Siegwart.

Jermont Chen, Ph.D., diretor de programa da Divisão de Ciência e Tecnologia de Descoberta do NIBIB, concorda. “Através de modificações inteligentes de nanopartículas lipídicas padrão, esta equipe lançou as bases para uma plataforma de edição genética in vivo nos pulmões, que poderia potencialmente ser traduzida para outros tecidos no futuro.

“Embora sejam necessários trabalhos futuros em modelos animais relevantes antes que esta técnica possa ser avaliada em humanos, o método aqui descrito tem o potencial de levar a tratamentos duradouros para pacientes com condições genéticas”.

Fornecido pelo Instituto Nacional de Imagens Biomédicas e Bioengenharia