Weniger Entzündung

-

Neue Lipide könnten Nukleinsäure-Therapien sicherer machen

Sogenannte »Switchable Lipids« (S-Lipide), die ihren Ladungszustand abhängig vom pH-Wert ändern, könnten ein Problem lösen, das mit der immer größeren Bedeutung von Lipidnanopartikeln (LNP) als Transportvehikel für therapeutische Nukleinsäuren immer offensichtlicher wird. Während proinflammatorische Eigenschaften von Nukleinsäure transportierenden LNP im Rahmen von Impfstrategien ein willkommener Nebeneffekt sind, stört diese Eigenschaft bei anderen therapeutischen Anwendungen, bei denen LNP eingesetzt werden. Jetzt berichten Forschende um Dr. Dengpan Liang vom Innovative Genomics Institute der University of California, Berkeley, im Wissenschaftsmagazin »Nature« über eine mögliche Lösung des Problems.

Das Problem bisheriger LNP liegt teilweise gerade in den Eigenschaften, die sie zu effizienten Wirkstofftransportern machen. Ionisierbare Lipide werden unter sauren Bedingungen positiv geladen, wodurch sie Nukleinsäuren effizient komplexieren und deren Freisetzung aus Endosomen ermöglichen. Diese kationischen Eigenschaften können jedoch zugleich inflammatorische Signalwege aktivieren.

Hinzu kommt, dass die für den »Endosomal Escape«, die Freisetzung der Nukleinsäure in den Endosomen, erforderliche Interaktion mit der Endosomenmembran Zellstress und weitere Entzündungssignale auslösen kann. Aktiviert werden unter anderem der Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4), das Komplementsystem und andere Signalwege. Außerdem kann der Platelet Activating Factor (PAF) freigesetzt werden. Besonders problematisch könnte dies bei Patienten sein, bei denen bereits eine entzündliche Grunderkrankung besteht.

Die Forschenden versuchten, diesen Zielkonflikt durch ein ungewöhnliches Moleküldesign zu umgehen. Die neuen S-Lipide besitzen in ihrer Kopfgruppe sowohl eine tertiäre Aminogruppe als auch eine Carboxylgruppe. Bei saurem pH sind sie positiv geladen und können Nukleinsäuren effizient einschließen. Bei einem physiologischen pH von 7,4 weisen sie dagegen eine negative Nettoladung auf. Die daraus hergestellten Partikel bezeichnen die Autoren als »Switchable Nanoparticles« (SNP). Aus einer Bibliothek von 144 S-Lipiden identifizierten sie mehrere besonders leistungsfähige Kandidaten. Elf der 18 besten Lipide transfizierten primäre Fibroblasten ähnlich effizient wie etablierte LNP-Systeme.

Besonders intensiv untersuchten die Forschenden den Kandidaten E20. In Mäusen transportierten E20-SNP mRNA effizient in vivo. Mit mRNA für humanes Erythropoetin erreichten sie Proteinspiegel, die mit konventionellen LNP vergleichbar waren. Entscheidend war jedoch die Immunreaktion. Bei Mäusen, bei denen zuvor mit Lipopolysaccharid (LPS) eine systemische Entzündung ausgelöst worden war, verstärkten herkömmliche LNP die Entzündungsreaktion deutlich und erhöhten unter anderem IL-6, IL-1β und MIP-2. E20-SNP zeigten diesen Effekt dagegen nicht.

Besonders drastisch fiel der Unterschied bei der Übertragung von Plasmid-DNA aus. Nach Gabe von pDNA, die in konventionellen LNP transportiert wurde, starben in dem kleinen Tierversuch alle behandelten Mäuse innerhalb von 24 Stunden. Die mit E20-SNP behandelten Tiere überlebten dagegen den gesamten siebentägigen Beobachtungszeitraum und exprimierten gleichzeitig das eingeschleuste Luciferase-Gen. Die geringe Toxizität ließ sich somit nicht einfach durch eine geringere Transfektion erklären.

Auch Experimente mit humanen mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMC) stützen das Konzept. Während verschiedene konventionelle LNP die Ausschüttung inflammatorischer Zytokine auslösten, induzierten E20-SNP keines der 14 untersuchten Zytokine in relevantem Umfang. Gleichzeitig blieb die mRNA-Transfektion effizient.

Mechanistisch liefern die Untersuchungen eine plausible Erklärung. Die SNP aktivierten weder TLR4 noch das Komplementsystem und lösten auch keine PAF-Freisetzung aus. Offenbar ermöglichen sie zudem einen endosomalen Austritt der mRNA, ohne die Membran in gleicher Weise zu schädigen wie klassische LNP.

Dass die geringere Entzündungsaktivierung therapeutisch relevant sein könnte, demonstrierten die Forschenden in einem Mausmodell der LPS-induzierten akuten Lungenschädigung. Drei Stunden nach Auslösung der Entzündung erhielten die Tiere IL-22-mRNA in unterschiedlichen Nanopartikeln. E20-SNP normalisierten sowohl die erhöhte pulmonale Gefäßpermeabilität als auch die Leukozyteninfiltration weitgehend, während konventionelle LNP deutlich schlechter abschnitten. Die Unterschiede ließen sich nicht durch eine höhere IL-22-Expression erklären.

Die Ergebnisse könnten insbesondere für Nukleinsäuretherapien interessant sein, die hohe oder wiederholte Dosierungen erfordern. Bis zu einer klinischen Anwendung ist es allerdings noch ein weiter Weg. Somit liefert die Arbeit noch keine unmittelbar klinisch einsetzbare Alternative zu etablierten LNP, wohl aber einen bemerkenswerten konzeptionellen Fortschritt.