Pro/Ala/Ser (PAS) peptides as an alternative to polyethylene glycol (PEG) for the surface shielding of lipid nanoparticles (LNPs) carrying therapeutic mRNA

Stellen Sie sich einen winzigen Lieferwagen vor, nicht größer als ein Staubkorn, der darauf ausgelegt ist, eine zerbrechliche Bedienungsanleitung in das Herz einer menschlichen Zelle zu transportieren. Dies ist das Lipidnanopartikel, ein mikroskopisches Gefäß, das die moderne Medizin revolutioniert hat, indem es Ärzten ermöglicht, genetische Botschaften, wie sie in mRNA-Impfstoffen vorkommen, direkt dorthin zu liefern, wo sie benötigt werden. Um zu funktionieren, müssen diese Lastwagen mit einer Schutzschicht überzogen sein, ähnlich einem Schild, um sie im Blutstrom stabil zu halten und zu verhindern, dass das Immunsystem des Körpers sie zu schnell angreift. Jahrelang haben sich Wissenschaftler auf eine synthetische, kunststoffähnliche Substanz namens Polyethylenglykol oder PEG verlassen, um diesen Schutzschild zu erzeugen. Sie ist effektiv, hat aber einen verborgenen Makel: Da es sich um eine fremde Chemikalie handelt, die der Körper nicht abbauen kann, kann sie manchmal allergische Reaktionen auslösen oder dazu führen, dass das Immunsystem das Medikament aus dem Körper entfernt, bevor es seine Aufgabe erfüllen kann. Da immer mehr Menschen durch Alltagsprodukte wie Kosmetika und verarbeitete Lebensmittel mit PEG in Kontakt kommen, wächst das Risiko dieser Reaktionen, was Forscher dazu veranlasst, nach einer sichereren, natürlicheren Alternative zu suchen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Wissenschaftler der Technischen Universität München und der XL-protein GmbH einen biologischen Ersatz für diesen synthetischen Schutzschild. Anstatt das kunststoffähnliche PEG zu verwenden, wandten sie sich einer Kette natürlicher Bausteine zu, die im menschlichen Körper vorkommen: einer spezifischen Sequenz aus drei Aminosäuren namens Prolin, Alanin und Serin. Sie bezeichnen diese Kette als PAS-Peptid. Im Gegensatz zum synthetischen Polymer ist diese natürliche Kette biologisch abbaubar, was bedeutet, dass der Körper sie leicht abbauen und entfernen kann, ohne eine Spur zu hinterlassen. Die Forscher wollten sehen, ob sie die synthetische PEG-Beschichtung ihrer Lipidnanopartikel-Lastwagen gegen diese natürliche PAS-Beschichtung austauschen konnten und dabei immer noch die gleiche hochwertige Lieferung der genetischen Anweisungen erreichten.

Um diese Idee zu testen, mussten die Forscher zuerst die Lieferwagen selbst bauen. Sie erschufen ein neues Typ von Lipidmolekül, bei dem der PEG-Schwanz durch eine Kette aus vierzig dieser natürlichen Aminosäuren ersetzt wurde, die mit einer Schutzgruppe abgeschlossen war, um neutral zu bleiben. Sie mischten dieses neue Lipid dann mit anderen Standardzutaten, um Nanopartikel zu bilden, wobei sie exakt dasselbe Rezept verwendeten, das auch für etablierte, zugelassene Medikamente verwendet wird. Die Fracht, die sie zu testen entschieden, war ein Satz von Anweisungen zur Herstellung eines spezifischen Proteins, einer modifizierten Version eines Maus-Interferons, welches ein Typ von Immun-Signalisierungsmolekül ist. Sie fügten auch ein kleines Etikett an das Protein an, vergleichbar mit einem Namensschild, damit sie es später leicht verfolgen konnten.

Die Forscher führten diese neuen Lastwagen dann in menschlichen Leberzellen ein, die in einer Laborschale gezüchtet wurden. Sie wollten sehen, ob die Zellen die Anweisungen innerhalb des Lastwagens lesen und das Protein produzieren können. Die Ergebnisse waren ermutigend. Die Zellen nahmen die Nanopartikel erfolgreich auf und begannen mit der Herstellung des Proteins, welches es in die umgebende Flüssigkeit abgab. Als das Team die Leistung ihrer neuen PAS-beschichteten Lastwagen mit den mit traditionellem PEG beschichteten Lastwagen verglich, waren die Unterschiede überraschend gering. Beide Arten von Lastwagen hatten etwa die gleiche Größe, gemessen zwischen 85 und 120 Nanometern im Durchmesser, und beide transportierten ihre genetische Fracht mit ähnlicher Effizienz, wobei sie etwa die Hälfte der verfügbaren Anweisungen im Inneren einschlossen. Sie teilten auch dieselbe elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche, eine Eigenschaft, die ihnen hilft, stabil zu bleiben und nicht zu verklumpen.

Entscheidend war, dass die Studie das Thema der Immunerkennung behandelte. Das Team testete, ob die neuen Lastwagen vom Immunsystem mit den alten verwechselt würden. Sie fanden heraus, dass Antikörper, die darauf programmiert sind, PEG aufzuspüren, nicht hề auf die neuen PAS-beschichteten Lastwagen reagierten. Umgekehrt reagierten Antikörper, die darauf programmiert sind, die natürliche PAS-Kette zu erkennen, nur mit den neuen Lastwagen, nicht mit den alten PEG-Modellen. Dies bestätigte, dass die beiden Beschichtungen chemisch verschieden sind und dass die neuen Lastwagen nicht dieselben Immunreaktionen auslösen würden, die die synthetischen plagen. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die PAS-beschichteten Lastwagen genauso gut oder in einigen Fällen sogar etwas besser als die PEG-beschichteten Versionen funktionierten, wenn sie die Menge des von den Zellen produzierten Proteins maßen.

Die Forscher untersuchten auch die Reinheit ihrer neuen Materialien. Die synthetischen PEG-Ketten, die in aktuellen Medikamenten verwendet werden, sind nicht einheitlich; sie sind eine Mischung aus Ketten leicht unterschiedlicher Längen, vergleichbar mit einem Haufen Seile, bei denen einige einige Zentimeter länger sind als andere. Im Gegensatz dazu sind die von dem Team erstellten natürlichen PAS-Ketten vollkommen einheitlich, wobei jede einzelne Kette exakt die gleiche Länge aufweist. Diese Konsistenz könnte ein bedeutender Vorteil bei der Herstellung hochwertiger Medikamente sein. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese natürlichen Peptidbeschichtungen eine lebensfähige, biologisch abbaubare Alternative zum synthetischen PEG-Schild darstellen. Sie bieten die gleichen Schutzvorteile ohne das Risiko der Akkumulation im Körper oder das Potenzial für Immunreaktionen, was den Weg zu sichereren und besser verträglichen Gentherapien für die Zukunft ebnet.