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Johns Hopkins Medicine Wissenschaftler sagen, dass sie einen Nanopartikel – einen extrem winzigen, biologisch abbaubaren Behälter – entwickelt haben, der das Potenzial hat, die Verabreichung von Impfstoffen auf der Basis von Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gegen Infektionskrankheiten wie COVID-19 und von Impfstoffen zur Behandlung nicht-infektiöser Krankheiten wie Krebs zu verbessern.
Die Ergebnisse von Tests an Mäusen, die am 20. Juni in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen, dass die abbaubaren Nanopartikel auf Polymerbasis, die einen Impfstoff auf mRNA-Basis tragen, nach Injektion in die Blutbahn von Mäusen bis zur Milz vordringen und dort gezielt bestimmte krebsbekämpfende Immunzellen aktivieren können.
Die Forscher fanden auch heraus, dass Mäuse mit Melanomen doppelt so lange überlebten und doppelt so viele Mäuse mit Darmkrebs langfristig überlebten, nachdem ihnen die von Johns Hopkins hergestellten Nanopartikel injiziert worden waren, verglichen mit Mäusen, die eine Kontrollbehandlung erhielten.
Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass bei den Mäusen etwa die Hälfte der spezialisierten Immunzellen, die für die Erkennung und Zerstörung ungesunder Zellen, wie z. B. mit Viren oder Krebs infizierter Zellen, zuständig sind, aktiviert und darauf vorbereitet wurden, die spezifischen eindringenden Krebszellen zu erkennen.
Nanopartikel aus Lipiden (einer Art Fettsäure) bilden die Grundlage für mRNA-COVID-19-Impfstoffe. Solche präventiven Impfstoffe auf Lipidbasis werden normalerweise in den Muskel injiziert.
Während Muskeln viele Zellen enthalten, die in der Lage sind, mRNA zu exprimieren, die zu einer Antikörperreaktion führen kann, gibt es jedoch relativ wenige dendritische Zellen – Immunzellen, die dem übrigen Immunsystem, insbesondere den T-Zellen, beibringen, Krebszellen zu suchen und zu zerstören. Wissenschaftler können möglicherweise die auf die Krebsbehandlung ausgerichteten Impfstoffe verbessern, indem sie ihre Fähigkeit verbessern, die dendritischen Zellen mit ihren mRNA-Anweisungen zu erreichen.
Die Injektion von Impfstoffen auf Lipidbasis in die Blutbahn hat sich als schwierig erwiesen, da die Impfstoffe in der Regel direkt in die Leber gelangen, wo sie abgebaut werden.
„Unser Ziel war es, ein Nanopartikel zu entwickeln, das nicht direkt in die Leber gelangt und den Zellen des Immunsystems effektiv beibringt, das entsprechende Ziel zu suchen und zu zerstören“, sagt Dr. Jordan Green, Professor für biomedizinische Technik an der Johns Hopkins University School of Medicine.
Green erklärt, dass die mRNA des Nanopartikels die dendritischen Zellen erreichen, in sie eindringen und dort exprimiert werden muss, um stärkere Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten und nicht-infektiöse Krankheiten wie Krebs herzustellen. Nachdem die mRNA in den dendritischen Zellen exprimiert wurde, wird sie schnell abgebaut, und die daraus resultierende Reaktion der Immunzellen kann viel länger anhalten, nachdem die mRNA und die Nanopartikel längst verschwunden sind, so die Forscher.
Normalerweise haben Wissenschaftler dieses Zell-Targeting erreicht, indem sie Proteine an ein Nanopartikel angehängt haben, die sich spezifisch an die Oberfläche einer Zielzelle binden, wie ein Schloss und ein Schlüssel. In Labortests mit diesem Ansatz erreicht jedoch nur ein kleiner Prozentsatz der Nanopartikel die Zielzelle, und die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass es bei solchen Ansätzen Probleme bei der Herstellung gibt.
Green und sein Team testeten verschiedene Materialien und entschieden sich schließlich dafür, die gewünschte mRNA in einem Gefäß auf Polymerbasis zu verpacken. Polymere sind sich wiederholende Gruppen kleiner Moleküle, die eine fest verbundene Kette bilden, um ein größeres Molekül zu schaffen, und sie können so gestaltet werden, dass sie im Körper wieder zu kleinen Molekülen abgebaut werden. Greens Team hat das Verhältnis zwischen wasserliebenden und wasserabweisenden Molekülen in den Nanopartikeln genau richtig eingestellt – ein Schlüssel dazu, dass die Nanopartikel die mRNA besser einkapseln und leichter in die Zielzelle gelangen können.
Dann verwendete Greens Team Disulfidbindungen, um die Nanopartikel in der Zielzelle schnell abzubauen. Die zum Aufbau der Nanopartikel verwendeten Polymere enthielten Endkappenmoleküle, die eine Affinität für einen bestimmten Gewebetyp haben.
Schließlich fügten Green und sein Team den Nanopartikeln einen „Helfer“, auch Adjuvans genannt, hinzu. Das Adjuvans trägt zur Aktivierung der dendritischen Zellen bei.
In Experimenten mit im Labor gezüchteten Zellen stellten die Forscher fest, dass die von ihnen entwickelte Nanopartikelkonfiguration von primären dendritischen Zellen in einer etwa fünfzigfach höheren Menge aufgenommen wurde als die mRNA selbst. Bei Mäusen waren fast 80 % der Zellen in der Milz, die die Nanopartikel erreichten, die dendritischen Zielzellen.
In einer Reihe von Experimenten verwendeten die Forscher Mäuse mit Immunzellen, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie rot leuchten, wenn das Nanopartikel geöffnet wurde, um seinen mRNA-Inhalt freizulegen. Sie fanden heraus, dass 5 bis 6 % aller dendritischen Zellen in der Milz das Nanopartikel erfolgreich aufnahmen, öffneten und verarbeiteten, und dass dies vor allem in dendritischen Zellen geschah, verglichen mit anderen Immunzellen wie Makrophagen, Monozyten, Neutrophilen und T-Zellen.
„Das Immunsystem ist so konzipiert, dass es durch eine verstärkte Reaktion funktioniert, bei der dendritische Zellen anderen Immunzellen beibringen, wonach sie im Körper suchen sollen“, sagt Green.
Spätere Experimente zeigten, dass die Hälfte der Mäuse mit Darmkrebs langfristig überlebte, nachdem sie zwei Injektionen der neuen Nanopartikel-Formulierung plus ein Immuntherapie-Medikament erhalten hatten, verglichen mit 10 bis 30 %, die nach der Behandlung mit anderen Nanopartikel-Formulierungen und einem Immuntherapie-Medikament oder dem Immuntherapie-Medikament allein überlebten.
Von den langfristig überlebenden Mäusen mit Darmkrebs überlebten alle ohne zusätzliche Behandlung, wenn die Forscher ihnen zusätzliche Darmkrebszellen verabreichten, was auf eine langfristige immunologische Reaktion hindeutet, die ein Wiederauftreten des Krebses verhindert.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass 21 Tage nach der Behandlung mit dem neuen Nanopartikel 60 % der zellabtötenden T-Zellen in den Mäusen bereit waren, die Darmkrebszellen zu erkennen und anzugreifen. Bei Mäusen mit Melanomen war etwa die Hälfte der gleichen Art von T-Zellen bereit, das Melanom anzugreifen.
„Mit dem Nanopartikel-Transportsystem konnte eine Armee von T-Zellen geschaffen werden, die krebsbedingte Antigene erkennen können“, sagt Green.
„Dieses neue System zur Verabreichung von Nanopartikeln könnte die Art und Weise verbessern, wie Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten verabreicht werden, und es könnte auch einen neuen Weg für die Behandlung von Krebs eröffnen“, so Green.