Minęły lata, ale obietnica szczepionek (m) RNA została w końcu zrealizowana, dzięki globalnej pandemii, która przyspieszyła badania i innowacje w tej dziedzinie. Ale sukces szczepionek mRNA nie byłby możliwy bez innej kluczowej technologii – nanocząstek lipidowych (LNP), które chronią mRNA i dostarczają je do komórek. W tym artykule omówiono krajobraz badań nad nanocząsteczkami lipidów i przyszłe możliwości nanotechnologii po COVID-19.
Dowiedz się więcej o podróży od liposomów do nanocząstek lipidowych w naszym raporcie Insight Report na temat nanotechnologii i jej zastosowania w dostarczaniu leków, roli, jaką odgrywa w umożliwieniu rewolucji RNA oraz możliwości stojących przed nami w kosmetykach, rolnictwie i nie tylko.
Nanotechnologia i szczepionki mRNA – historia sukcesu?
Podczas gdy kilka szczepionek zostało wdrożonych w walce z SARS-CoV-2, dwie szczepionki mRNA oparte na nanocząsteczkach lipidowych firmy Moderna i Pfizer-BioNTech były najczęściej stosowane, co pokazuje kluczową rolę nanotechnologii w odpowiedzi na pandemię COVID-19. Wprowadzenie tych szczepionek na dużą skalę w 2021 r. zmieniło przebieg pandemii, powodując znaczny spadek liczby przypadków COVID-19.
Jednak ze względu na szybkie rozprzestrzenianie się wirusa pojawiło się kilka nowych wariantów SARS-CoV-2, które mają się pojawić, tworząc ogromne wyzwanie dla zdrowia publicznego. Warianty budzące obawy, takie jak Delta i Omicron, wpłynęły na skuteczność szczepionki, zmniejszając funkcję przeciwciał neutralizujących. Jednak nanotechnologie mogą być kluczem do sprostania wyzwaniu wariantu SARS-CoV-2. Naukowcy badają obecnie różne sposoby wykorzystania nanotechnologii do tego celu, w tym nanocząsteczki, przeciwciała neutralizujące wywołane szczepionką, zmodyfikowane przeciwciała neutralizujące i "nanowabiki". To ostatnie podejście polega na tworzeniu nanoprotein wabika, które oddziałują z receptorem konwertazy angiotensyny-2 (ACE2) wyrażonym na komórkach, hamując wiązanie wirusa z ACE2 i chroniąc komórki gospodarza przed infekcją. Ponieważ te nanotechnologie są wdrażane w celu przyspieszenia końca nowej pandemii koronawirusa, w jaki sposób możemy zastosować wnioski z tego intensywnego wysiłku badawczego do innych obszarów niezaspokojonych potrzeb, w tym innych globalnych chorób zakaźnych?
Rozwój technologii nanocząstek lipidowych
Zanim spojrzymy w przyszłość, wróćmy do historii technologii nanocząstek lipidowych. Wszystko zaczęło się w 1965 roku od odkrycia liposomów: zamkniętych dwuwarstwowych pęcherzyków lipidowych, które spontanicznie samoorganizują się w wodzie, tworząc kapsułki tłuszczowe. Naukowcy natychmiast dostrzegli swoją obietnicę w dostarczaniu leków ze względu na ich zdolność do kapsułkowania leków drobnocząsteczkowych i zwiększania ich rozpuszczalności w wodzie (wiadomo, że ponad 40% tych środków wykazuje niską rozpuszczalność w wodzie). Od czasu pierwszego odkrycia liposomów technologia była stale ulepszana i udoskonalana, optymalizując funkcjonalność nanocząstek lipidowych w celu stworzenia niezwykle wszechstronnych platform dostarczania leków i leków liposomalnych.
Chociaż obecnie w centrum uwagi jest istotny składnik szczepionek mRNA COVID-19, nanocząsteczki lipidowe są z powodzeniem wykorzystywane jako leki od dziesięcioleci. W 1995 roku Doxil, oparta na LNP formuła środka przeciwnowotworowego doksorubicyny, stała się pierwszym zatwierdzonym lekiem liposomalnym. Inny lek liposomalny, Epaxal, jest preparatem LNP antygenu białkowego stosowanym jako szczepionka przeciwko zapaleniu wątroby. W 2018 r. amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków zatwierdziła Onpattro (patisiran), krótko interferujące RNA oparte na LNP do leczenia polineuropatii wywołanych dziedziczną amyloidozą transtyretynową. Ten kluczowy kamień milowy utorował drogę do rozwoju klinicznego wielu terapii opartych na kwasach nukleinowych, które są możliwe dzięki dostarczaniu nanocząstek (patrz ryc. 1, aby zapoznać się z harmonogramem kluczowych postępów w nanocząsteczkach lipidowych i naszym raportem wglądu, aby uzyskać bardziej szczegółowy widok).
Nanotechnologia w świecie post-COVID
Niedawna analiza CAS Content Collection™ zbadała unikalny krajobraz badań związanych z nanocząsteczkami lipidowymi. Analiza wykazała, że z ponad 240 000 publikacji naukowych związanych z LNP w CAS Content Collection™, ponad 190 000 pochodzi z okresu 2000–2021, co podkreśla rosnące zainteresowanie nanotechnologią. Przewiduje się, że zostanie to dodatkowo wzmocnione przez zastosowanie nanotechnologii w zwalczaniu chorób zakaźnych w świetle COVID-19, a rynek nanomedycyny ma osiągnąć ponad 164 miliardy dolarów do 2027 roku.
Podczas gdy nanocząsteczki lipidowe od dawna zajmują uznaną pozycję w głównym nurcie systemów dostarczania leków, technologia ta nie była pozbawiona ograniczeń. Liposomy – uważane za pierwszą generację LNP – wymagają złożonych metod produkcji przy użyciu rozpuszczalników organicznych, wykazują niską skuteczność w wychwytywaniu leków i są trudne do wykonania na dużą skalę. Chociaż kluczowe postępy w nanotechnologii, takie jak rozwój stałych nanocząstek lipidowych i nanostrukturalnych nośników lipidowych, pomogły przezwyciężyć te problemy (zob. tabela 1), wyzwania pozostają. Koszty produkcji, rozszerzalność, bezpieczeństwo i złożoność nanosystemów muszą zostać ocenione i zrównoważone z wszelkimi potencjalnymi korzyściami. Aby pomóc przezwyciężyć obecne ograniczenia tej technologii, naukowcy szukają teraz nowej generacji nanocząstek lipidowych, badając bardziej wyrafinowane systemy dostarczania o zwiększonych możliwościach.
Tabela 1: Rodzaje nanocząstek lipidowych: struktura i rola
Udane zastosowanie nanotechnologii do szczepionek mRNA COVID-19 doprowadziło do ponownego zainteresowania tą technologią w leczeniu chorób zakaźnych, takich jak malaria, gruźlica (TB) i ludzki wirus niedoboru odporności (HIV). Nanotechnologia może zmienić zarówno wykrywanie, jak i leczenie tych chorób. Wszechstronność technologii oznacza, że zabiegi zamknięte w liposomach, nanocząsteczkach polimerowych i kryształach nanoleków mogą być dostarczane lokalnie lub systemowo w celu trwałego lub natychmiastowego uwolnienia. Możliwości są nieograniczone.
Jednakże, podczas gdy niektóre choroby zakaźne (np. HIV) były przedmiotem intensywnych badań, inne, takie jak malaria i gruźlica, były prowadzone z mniejszym entuzjazmem. Finansowanie (lub jego brak) było w przeszłości czynnikiem ograniczającym postęp nanotechnologii w tych obszarach, w których nie zaspokojono potrzeb. Może się to jednak zmienić. Zespół z Johns Hopkins opracowuje platformę przyspieszającą projektowanie nanocząstek lipidowych do dostarczania leków genowych, dzięki czemu proces ten jest bardziej przystępny cenowo. Zespół wykorzystuje teraz tę technologię do opracowania szczepionki przeciwko malarii, która jest ukierunkowana na pasożyta wywołującego chorobę podczas jego cyklu życiowego w wątrobie.
Przyszłość nanotechnologii rysuje się w jasnych barwach
Nanotechnologia ujawniła nowe horyzonty w nauce, szczególnie w medycynie. Zastosowanie nanocząstek lipidowych jako wektora dostarczania szczepionek mRNA COVID-19 prawdopodobnie rozszerzy zakres dalszych badań. Bardziej wyrafinowane i wielofunkcyjne konstrukcje nanonośników mają na celu zaspokojenie obecnych i przyszłych niezaspokojonych potrzeb.
Zobacz nasz raport Insight, aby uzyskać bardziej szczegółową analizę krajobrazu przeszłych, obecnych i przyszłych możliwości technologii nanocząstek lipidowych.
