Các kỹ sư tại MIT và Trường Y thuộc Đại học Massachusetts đã thiết kế một loại hạt nano mới có thể được đưa vào phổi, nơi nó có thể cung cấp RNA thông tin mã hóa các protein hữu ích.

Hình minh họa cho thấy vị trí của phổi

Với sự phát triển hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho biết những hạt này có thể cung cấp một phương pháp điều trị bằng đường hô hấp cho bệnh xơ nang và các bệnh phổi khác.

Trong một nghiên cứu trên chuột, Anderson và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng các hạt này để cung cấp mARN mã hóa bộ máy cần thiết cho quá trình chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9. Điều đó có thể mở ra cơ hội thiết kế các hạt nano trị liệu có thể cắt bỏ và thay thế các gen gây bệnh.

Nhắm mục tiêu phổi

Messenger RNA có tiềm năng lớn như một liệu pháp điều trị nhiều loại bệnh do gen bị lỗi gây ra. Cho đến nay, một trở ngại đối với việc triển khai là khó đưa nó đến đúng phần cơ thể mà không có tác dụng ngoài mục tiêu. Các hạt nano được tiêm thường tích tụ trong gan, vì vậy một số thử nghiệm lâm sàng đánh giá các phương pháp điều trị bằng mRNA tiềm năng cho các bệnh về gan hiện đang được tiến hành.

Vắc xin Covid-19 dựa trên RNA, được tiêm trực tiếp vào mô cơ, cũng đã được chứng minh là có hiệu quả. Trong nhiều trường hợp như vậy, mRNA được gói gọn trong một hạt nano lipid — một khối cầu béo giúp bảo vệ mRNA khỏi bị phân hủy sớm và giúp nó xâm nhập vào các tế bào đích.

Vài năm trước, phòng thí nghiệm của Anderson đã bắt đầu thiết kế các hạt có khả năng truyền nhiễm tốt hơn cho các tế bào biểu mô tạo nên phần lớn lớp lót của phổi. Vào năm 2019, phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra  các hạt nano có thể cung cấp mRNA  mã hóa protein phát quang sinh học cho các tế bào phổi.

Những hạt đó được làm từ polyme thay vì lipid, giúp chúng dễ dàng hòa tan trong khí dung hơn để hít vào phổi. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm về các hạt đó để tăng hiệu lực và tối đa hóa tính hữu dụng của chúng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển các hạt nano lipid có thể nhắm vào phổi. Các hạt được tạo thành từ các phân tử có chứa hai phần: nhóm đầu tích điện dương và đuôi lipid dài. Điện tích dương của nhóm đầu giúp các hạt tương tác với mARN tích điện âm và nó cũng giúp mARN thoát khỏi cấu trúc tế bào sẽ nuốt chửng các hạt khi chúng xâm nhập vào tế bào.

Trong khi đó, cấu trúc đuôi lipid giúp các hạt đi qua màng tế bào. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra 10 cấu trúc hóa học khác nhau cho đuôi lipid, cùng với 72 nhóm đầu khác nhau. Bằng cách sàng lọc các tổ hợp khác nhau của những cấu trúc này ở chuột, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định những tổ hợp có khả năng đến phổi nhất.

Trong các thử nghiệm tiếp theo trên chuột, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể sử dụng các hạt này để cung cấp các thành phần CRISPR/Cas9 mã hóa mRNA được thiết kế để loại bỏ tín hiệu dừng được mã hóa di truyền vào tế bào phổi của động vật.

Khi tín hiệu dừng đó bị loại bỏ, một gen cho protein huỳnh quang sẽ bật lên. Việc đo tín hiệu huỳnh quang này cho phép các nhà nghiên cứu xác định tỷ lệ phần trăm tế bào biểu hiện thành công mRNA.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy sau một liều mRNA, khoảng 40% tế bào biểu mô phổi đã được thay thế. Hai liều đưa mức độ lên hơn 50 phần trăm và ba liều lên tới 60 phần trăm. Mục tiêu quan trọng nhất để điều trị bệnh phổi là hai loại tế bào biểu mô được gọi là tế bào câu lạc bộ và tế bào có lông mao, và mỗi loại tế bào này được truyền nhiễm khoảng 15 phần trăm.

Các hạt mới cũng phân hủy nhanh chóng, cho phép chúng được loại bỏ khỏi phổi trong vòng vài ngày và giảm nguy cơ viêm nhiễm. Các hạt này cũng có thể được phân phối nhiều lần cho cùng một bệnh nhân nếu cần dùng liều lặp lại.

Điều này mang lại cho họ một lợi thế so với một phương pháp khác để cung cấp mRNA, sử dụng một phiên bản sửa đổi của các adenovirus vô hại. Những vi-rút này rất hiệu quả trong việc cung cấp RNA nhưng không thể cung cấp lặp đi lặp lại vì chúng gây ra phản ứng miễn dịch ở vật chủ.

Các nhà nghiên cứu cho biết: “Thành tựu này mở đường cho các ứng dụng cung cấp gen phổi điều trị đầy hứa hẹn cho các bệnh phổi khác nhau.

“Nền tảng này có một số lợi thế so với vắc-xin và liệu pháp điều trị thông thường, bao gồm cả việc nó không có tế bào, cho phép sản xuất nhanh chóng, đồng thời có tính linh hoạt cao và hồ sơ an toàn thuận lợi.”

Để vận chuyển các hạt trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là nhỏ thuốc vào khí quản, thường được sử dụng như một cách để mô hình hóa việc vận chuyển thuốc đến phổi. Hiện họ đang nghiên cứu để làm cho các hạt nano ổn định hơn, để chúng có thể được phun khí dung và hít vào bằng máy phun sương.

Các nhà nghiên cứu cũng có kế hoạch thử nghiệm các hạt để cung cấp mARN có thể điều chỉnh đột biến gen được tìm thấy trong gen gây ra bệnh xơ nang, trong mô hình chuột bị bệnh. Họ cũng hy vọng sẽ phát triển các phương pháp điều trị các bệnh phổi khác, chẳng hạn như xơ phổi vô căn, cũng như vắc-xin mRNA có thể được đưa trực tiếp vào phổi.