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

De moderne geneeskunde is een tijdperk binnengegaan waarin de eigen instructies van het lichaam, geschreven in een molecuul genaamd messenger RNA, kunnen worden gebruikt om cellen te leren hoe ze ziekten kunnen bestrijden of ontbrekende eiwitten kunnen vervangen. Om deze kwetsbare instructies veilig in het menselijk lichaam te brengen, verpakken wetenschappers ze in piepkleine, microscopische bellen gemaakt van vet, bekend als lipide nanodeeltjes. Deze bellen fungeren als beschermende voertuigen, die de genetische lading beschermen tegen de harde omgeving buiten de cel en deze naar de juiste bestemming leiden. Het succes van vaccins en andere nieuwe therapieën hangt er volledig van af dat deze voertuigen correct zijn gebouwd: ze moeten de juiste grootte hebben, de juiste hoeveelheid medicijn bevatten en die medicatie intact houden. Het controleren van de kwaliteit van deze miljarden piepkleine bellen is echter geweest als het proberen te beoordelen van de inhoud van een verzegelde doos door de hele stapel te wegen; standaardtests meten het gemiddelde van de gehele batch, waardoor het feit verborgen blijft dat sommige bellen leeg kunnen zijn, sommige kapot kunnen zijn, en andere te veel of te weinig medicijn kunnen bevatten.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Michigan heeft een nieuwe manier ontwikkeld om in deze bellen te kijken zonder ze open te breken. Ze noemen hun methode PINPOINT, een techniek waarmee wetenschappers individuele nanopartikels één voor één kunnen onderzoeken, waarbij ze hun vorm kunnen zien en precies kunnen controleren wat erin zit. In plaats van een monster te vermalen om een gemiddelde meting te krijgen, gebruikt deze aanpak een speciale microscoop om enkele deeltjes te bekijken die op een glazen plaatje liggen. De onderzoekers maken eerst een foto van de buitenste schil van de bel met behulp van een kleurstof die licht geeft wanneer deze vet raakt, wat de grootte van het deeltje onthult en laat zien of het perfect rond of misvormd is. Vervolgens maken ze een klein, tijdelijk gaatje in de wand van de bel met behulp van een zeer milde, zeepachtige substantie. Dit gaatje is net groot genoeg om een sonde naar binnen te laten reiken en de genetische lading aan te raken, maar klein genoeg zodat de bel heel blijft en niet uit elkaar valt.

Zodra de sonde naar binnen kan reiken, werkt deze als een specifieke sleutel die alleen op een bepa bepaald slot past. De onderzoekers gebruikten korte strengen DNA die alleen ontworpen zijn om te binden aan de specifieke genetische boodschap waar ze naar op zoek waren. Omdat de genetische instructies in de bel vaak strak opgevouwen zijn, voegde het team ook hulp-DNA-strengen toe om de vouwen glad te strijken en de boodschap gemakkelijker vindbaar te maken. Wanneer de sonde zijn match vindt, licht deze op en laat vervolgens weer los, een proces dat vele malen wordt herhaald. Door te observeren hoe vaak de sonde bindt en hoe lang hij gehecht blijft, kunnen de onderzoekers de identiteit van de lading bevestigen en zelfs zien of de boodschap heel of gebroken is. Deze methode onthulde dat er, zelfs in batches die aan de oppervlakte uniform lijken, een verrassende variëteit bestaat: sommige deeltjes zijn leeg, sommige bevatten meerdere kopieën van de boodschap, en sommige hebben vormen die veranderen na het invriezen en ontdooien.

De studie toonde aan dat deze nieuwe methode verschillen kan detecteren die traditionele tests missen. Wanneer de onderzoekers de nanopartikels bijvoorbeeld belastten door ze te invriezen en te ontdooien, zagen standaardtests slechts een lichte verandering in de gemiddelde grootte. Maar de nieuwe methode toonde aan dat een aanzienlijk aantal deeltjes misvormd was geraakt en niet langer perfecte cirkels waren, een detail dat de werking in het lichaam zou kunnen beïnvloeden. Het stelde het team ook in staat om te tellen hoeveel kopieën van de genetische boodschap zich in elke bel bevonden, waarbij zij ontdekten dat het aantal van partikel tot partikel varieerde. In één experiment vonden zij dat slechts ongeveer zestig procent van de bellen daadwerkelijk de genetische boodschap bevatte die ze zouden moeten dragen, terwijl de rest leeg was. Dit niveau van detail geeft een veel duidelijker beeld van wat er werkelijk gebeurt in een batch medicijnen.

Door het zicht op de vorm van het deeltje te combineren met een controle van de inhoud, biedt deze techniek een krachtig nieuw instrument om de kwaliteit van deze levensreddende behandelingen te waarborgen. Het vereist niet het vernietigen van het monster of het gebruik van complexe chemische reacties om het signaal te versterken, wat betekent dat de resultaten de werkelijke staat van de deeltjes weerspiegelen zoals ze zijn. Hoewel de huidige methode nog niet snel genoeg is om elke dosis op een fabriekslijn te controleren, biedt het een gedetailleerde kaart van wat er misgaat wanneer een batch imperfect is. Dit inzicht helpt wetenschappers te begrijpen waarom sommige batches beter werken dan andere en stuurt het ontwerp van betere leveringssystemen voor de toekomst aan. Het vermogen om de individuele variaties binnen een menigte van miljarden te zien, transformeert een verborgen probleem in een meetbare feit, wat een pad biedt naar meer consistente en effectieve behandelingen.