PINPOINT enables non-destructive nanoscopic quality control of individual lipid nanoparticles and their mRNA cargo

La medicina moderna è entrata in un'era in cui le istruzioni stesse del corpo, scritte in una molecola chiamata RNA messaggero, possono essere utilizzate per insegnare alle cellule come combattere le malattie o sostituire proteine mancanti. Per consegnare queste fragili istruzioni in modo sicuro all'interno del corpo umano, gli scienziati le avvolgono in minuscole bolle microscopiche fatte di grasso, note come nanoparticelle lipidiche. Queste bolle fungono da veicoli protettivi, schermando il carico genetico dall'ambiente ostile esterno e guidandolo verso la destinazione corretta. Il successo dei vaccini e di altre nuove terapie dipende interamente dal fatto che questi veicoli siano costruiti correttamente: devono avere la dimensione giusta, contenere la giusta quantità di medicinale e mantenere intatto quel medicinale. Tuttavia, controllare la qualità di miliardi di queste minuscole bolle è stato come cercare di giudicare il contenuto di una scatola sigillata pesando l'intero mucchio; i test standard misurano la media dell'intero lotto, nascondendo il fatto che alcune bolle potrebbero essere vuote, altre potrebbero essere rotte e altre ancora potrebbero trasportare troppo o troppo poco medicinale.

Un team di ricercatori dell'Università del Michigan ha sviluppato un nuovo modo per guardare dentro queste bolle senza romperle. Chiamano il loro metodo PINPOINT, una tecnica che permette agli scienziati di esaminare le singole nanoparticelle una per una, vedendone la forma e controllando esattamente cosa c'è all'interno. Invece di tritare un campione per ottenere una lettura media, questo approccio utilizza un microscopio speciale per osservare le singole particelle appoggiate su un vetrino da laboratorio. I ricercatori prima scattano una foto del guscio esterno della bolla utilizzando un colorante che brilla quando tocca il grasso, rivelando la dimensione della particella e se sia perfettamente rotonda o deformata. Successivamente, praticano delicatamente un piccolo foro temporaneo nella parete della bolla usando una sostanza molto blanda, simile a un sapone. Questo foro è appena sufficiente a lasciare che una sonda raggiunga l'interno e tocchi il carico genetico, ma abbastanza piccolo da far sì che la bolla rimanga intera e non si sfaldi.

Una volta che la sonda può raggiungere l'interno, essa agisce come una chiave specifica che si adatta solo a una particolare serratura. I ricercatori hanno utilizzato brevi filamenti di DNA progettati per legarsi solo al messaggio genetico specifico che stavano cercando. Poiché le istruzioni genetiche all'interno della bolla sono spesso ripiegate strettamente, il team ha anche aggiunto filamenti di DNA ausiliari per distendere le pieghe e rendere il messaggio più facile da trovare. Quando la sonda trova il suo abbinamento, si illumina e poi si stacca, ripetendo questo processo molte volte. Osservando quanto spesso la sonda si lega e per quanto tempo rimane attaccata, i ricercatori possono confermare l'identità del carico e persino dire se il messaggio è intero o frammentato. Questo metodo ha rivelato che, anche in lotti che appaiono uniformi in superficie, esiste una sorprendente varietà: alcune particelle sono vuote, altre trasportano copie multiple del messaggio e altre hanno forme che cambiano dopo essere state congelate e scongelate.

Lo studio ha dimostrato che questo nuovo metodo può rilevare differenze che i test tradizionali non colgono. Ad esempio, quando i ricercatori hanno sottoposto stress le nanoparticelle attraverso cicli di congelamento e scongelamento, i test standard hanno visto solo un leggero cambiamento nella dimensione media. Ma il nuovo metodo ha mostrato che un numero significativo di particelle era diventato deforme e non era più un cerchio perfetto, un dettaglio che potrebbe influenzare la loro efficacia nel corpo. Ha inoltre permesso al team di contare quante copie del messaggio genetico ci fossero in ogni bolla, scoprendo che il numero variava da particella a particella. In un esperimento, hanno scoperto che solo circa il sessanta per cento delle bolle conteneva effettivamente il messaggio genetico che dovevano trasportare, mentre il resto era vuoto. Questo livello di dettaglio fornisce un quadro molto più chiaro di ciò che sta realmente accadendo all'interno di un lotto di medicinali.

Combinando una visione della forma della particella con un controllo del suo contenuto, questa tecnica offre uno strumento potente per garantire la qualità di questi trattamenti salvavita. Non richiede la distruzione del campione né l'uso di complesse reazioni chimiche per amplificare il segnale, il che significa che i risultati riflettono lo stato reale delle particelle così come sono. Sebbene l'attuale metodo non sia ancora abbastanza veloce per controllare ogni singola dose su una linea di produzione, esso fornisce una mappa dettagliata di ciò che va storto quando un lotto è imperfetto. Questa intuizione aiuta gli scienziati a capire perché alcuni lotti funzionano meglio di altri e guida la progettazione di migliori sistemi di distribuzione per il futuro. La capacità di vedere le variazioni individuali all'interno di una folla di miliardi trasforma un problema nascosto in un fatto misurabile, offrendo una via verso trattamenti più coerenti ed efficaci.