Optimización de ARNm que contiene nanopartículas

Dr. Aurel Radulescu en el instrumento KWS-2 del Juelich Center for Neutron Science (JCNS) en la fuente de neutrones de investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Munich. Crédito: Bernhard Ludewig / TUM / FRM II

La fuente de neutrones de investigación Hein Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) está desempeñando un papel importante en la investigación de nanopartículas de ARNm similares a las que se utilizan en las vacunas COVID-19 de los proveedores BioNTech y Pfizer. Los investigadores del Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) utilizaron el alto flujo de neutrones disponible en Garching para caracterizar varias formulaciones de la vacuna de ARNm y así sentar las bases para mejorar la eficacia de la vacuna.

La idea de utilizar el ARN mensajero (ARNm) como ingrediente activo es brillante: la molécula contiene el modelo específico para las proteínas que luego sintetiza la célula. En general, esto hace posible proporcionar un espectro muy amplio de diferentes proteínas terapéuticamente efectivas.

En el caso de la vacuna COVID-19, estas son las proteínas de los picos característicos en la superficie del virus Corona que se utilizan para la vacunación. Las proteínas se presentan en la superficie de las células inmunitarias; luego, el sistema inmunitario humano activa las defensas contra estas proteínas extrañas y, por lo tanto, contra el virus Corona. El ARNm en sí mismo se descompone por completo después de unas pocas horas, un hecho que es ventajoso para la seguridad de estas vacunas.

El camino hacia el mejor empaque

El ARNm tiene que ser empaquetado adecuadamente para evitar que se descomponga en el camino a la célula por las enzimas ubicuas del cuerpo humano. Esto se hace mediante nanopartículas que pueden consistir en una mezcla de lípidos o polímeros.

Los lípidos son moléculas grasas similares a las moléculas de la membrana celular y ayudan a depositar el ARNm en el interior de la célula. Luego, el cuerpo descompone o excreta los lípidos y los biopolímeros.

Con este fin, el equipo de formulación de BioNTech dirigido por el Dr. Heinrich Haas trabajó junto con el grupo dirigido por el Prof. Peter Langguth del departamento de Tecnología Farmacéutica. en el Instituto de Ciencias Farmacéuticas y Biomédicas de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz. Desarrollaron una serie de formulaciones en las que las nanopartículas consistían en varias mezclas de lípidos y biopolímeros ya probados en productos farmacéuticos.

A la luz de los neutrones

Para comparar las propiedades de varios nanopartículas compuestas entre sí, los investigadores sometieron las nanopartículas a una amplia gama de investigaciones. Además de los análisis de rayos X y microscópicos, estas investigaciones incluyeron radiación con neutrones usando el instrumento KWS-2, operado por el Forschungszentrum Jlich en el FRM II de la Universidad Técnica de Munich en Garching.

Los neutrones se dispersan en el interior de las nanopartículas, entre otros, sobre los núcleos de hidrógeno y se desvían de sus caminos de forma característica. Esta es la base para las conclusiones sobre su distribución. Si los átomos de hidrógeno de ciertos componentes, por ejemplo de los lípidos solamente, se intercambian con hidrógeno pesado, las propiedades químicas y la eficacia farmacéutica no cambian, pero sí el patrón de dispersión de los neutrones.

«Este método hace posible para resaltar selectivamente partes de una morfología compleja de múltiples componentes sin cambiar la química física de la muestra», dice el Dr. Aurel Radulescu del Centro Jlich para la Ciencia de Neutrones (JCNS), responsable del instrumento KWS-2 y quien dirigió el evaluación de los resultados de la medición. «Esto hace posible representar propiedades estructurales que otros métodos apenas pueden hacer visibles, si es que lo hacen».

El grado correcto de orden es la clave

En estos análisis, la investigación los equipos estaban interesados en la eficacia con la que las diversas formulaciones podían transmitir el ARNm a la célula, lo que se conoce como transfección. Los investigadores descubrieron así que las tasas de transfección más altas se lograron con nanopartículas que se caracterizan por un cierto tipo de disposición interna.

«Se registraron altos niveles de actividad biológica cada vez que se alternaban áreas ordenadas y menos ordenadas en el interior de las nanopartículas de una manera característica. Este podría ser un concepto generalmente válido de relación estructura-actividad que se puede aplicar independientemente de los sistemas investigados aquí», señala el Dr. Heinrich Haas de BioNTech. Los equipos de investigación que utilizaron radiación de rayos X en otras nanopartículas lipídicas también habían encontrado previamente un grado de orden similar.

Un procedimiento mejorado

Para recibir las propiedades estructurales deseadas los lípidos y los biopolímeros tenían que combinarse con el ARNm usando procedimientos exactamente definidos. Aquí, el equipo de investigación pudo demostrar que las nanopartículas para empaquetar el ARNm se podían producir en un solo paso, lo que significa una simplificación significativa en comparación con el procedimiento de dos pasos que también se investigó originalmente.

Así, un Finalmente se encontró un método simplificado para la creación de nanopartículas de ARNm con actividad mejorada. «Tales cuestiones de producibilidad práctica representan un requisito previo importante para la posibilidad de desarrollar productos farmacéuticos», dice el Prof. Langguth. En el futuro, estos conceptos podrían tenerse en cuenta en el desarrollo de nuevos agentes terapéuticos basados en ARNm.

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Las cubiertas del virus de la gripe podrían mejorar la entrega de ARNm en las células Más información: Christian D. Siewert et al, Hybrid Biopolymer and Lipid Nanoparticles with Improved Transfection Efficacy for mRNA, Cells ( 2020). DOI: 10.3390/cells9092034

C. Siewert et al, Investigación de la variación de la relación de carga en los sistemas de administración de mRNADEAE-dextrano poliplex, Biomateriales (2018). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.10.020

Sara S. Nogueira et al, Polysarcosine-Funtionalized Lipid Nanoparticles for Therapeutic mRNA Delivery, ACS Applied Nano Materials (2020). DOI: 10.1021/acsanm.0c01834 Información de la revista: Biomateriales