Novas formas de entrega elevam a eficiência da edição gênica por CRISPR para até 90%

Cientistas revelaram duas estratégias distintas e inovadoras para aumentar drasticamente a eficácia da edição gênica e das terapias com mRNA, enfrentando um desafio persistente que tem limitado a tradução do sucesso em laboratório para aplicações clínicas.

Pesquisadores do Biohub descobriram que a coadministração de três aminoácidos — metionina, arginina e serina — pode ampliar a entrega da carga terapêutica em até 20 vezes e elevar a eficiência da edição gênica por CRISPR de modestos 25% para quase 90% in vivo. A descoberta marca um momento decisivo para a medicina molecular, já que as nanopartículas lipídicas há muito enfrentam dificuldades para converter seu desempenho espetacular em laboratório em um sucesso equivalente dentro de organismos vivos.

A equipe do Biohub, liderada pelo Dr. Daniel Zongjie Wang e pela Dra. Shana O. Kelley, reformulou o problema ao olhar além das próprias nanopartículas e focar, em vez disso, no ambiente celular e no estado metabólico que regulam as interações com a membrana. Quando os pesquisadores modelaram um ambiente fisiológico mais fiel usando um meio semelhante ao plasma humano, a captação de LNPs pelas células caiu de forma acentuada. Análises metabólicas e genéticas adicionais identificaram vias relacionadas a aminoácidos atenuadas como um gargalo crítico.

O coquetel otimizado, composto exclusivamente por metionina, arginina e serina de grau farmacêutico — três aminoácidos amplamente disponíveis e considerados seguros para uso clínico — mostrou-se transformador. O suplemento de aminoácidos aumentou de modo expressivo a captação e a expressão funcional da carga de mRNA em diversos tipos celulares. Esse efeito foi consistente independentemente da via de administração, seja intramuscular, intratraqueal ou intravenosa, e foi independente (agnóstico) da composição lipídica da nanopartícula ou da natureza da carga genética.

Do ponto de vista mecanístico, a codeliveria do suplemento de aminoácidos parece modular uma via específica de captação celular, efetivamente ampliando a “porta de entrada” pela qual as nanopartículas lipídicas conseguem penetrar. Ao energizar circuitos metabólicos de aminoácidos, as células ficam metabolicamente preparadas para internalizar nanocarreadores com mais eficiência e liberar suas cargas terapêuticas.

Em um modelo pré-clínico em camundongos de insuficiência hepática aguda induzida por acetaminofeno, a adição do suplemento de aminoácidos converteu uma taxa de sobrevivência perigosamente baixa de 33% em sobrevivência completa após o tratamento com mRNA de hormônio do crescimento encapsulado em LNPs. Essa melhora notável foi acompanhada por um aumento de quase nove vezes nos níveis séricos da proteína terapêutica e pela normalização de marcadores de lesão hepática e inflamação para patamares próximos aos saudáveis. Em aplicações de edição gênica com alvo em tecido pulmonar, o suplemento impulsionou a eficiência de edição por CRISPR-Cas9 do intervalo típico de 20% a 30% para um patamar inédito de 85% a 90% com apenas uma única dose.

Separadamente, uma equipe da University of California, Berkeley, liderada pela pioneira em edição gênica e vencedora do Prêmio Nobel Jennifer Doudna, desenvolveu um sistema de CRISPR autorreplicante que se espalha entre células como um vírus. Os cientistas acrescentaram instruções genéticas para que as células produzam um transportador semelhante a vírus, capaz de encapsular a maquinaria de CRISPR. Uma vez produzido nas células tratadas, o carregamento de CRISPR é enviado a células vizinhas.

O sistema, chamado NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme, ou NANITE, combina instruções genéticas para as moléculas carreadoras e para a maquinaria de CRISPR em um único pedaço circular de DNA. Isso garante que a enzima Cas9 esteja fisicamente ligada às proteínas de entrega enquanto ambas são produzidas dentro de uma célula. Isso também significa que o veículo final de entrega encapsula o RNA guia, o “cão farejador” que ancora a Cas9 ao seu alvo no DNA.

Como um vírus benevolente, o NANITE inicialmente “infecta” um pequeno número de células. Uma vez dentro, ele instrui cada célula a produzir a ferramenta completa de CRISPR, empacotá-la e enviá-la para outras células. O editor aprimorado foi aproximadamente três vezes mais eficaz na edição gênica de células cultivadas em laboratório em comparação com o CRISPR padrão. Ele também reduziu a quantidade de uma proteína nociva em camundongos com um distúrbio metabólico genético, enquanto a versão original teve pouco efeito na mesma dose.

Editores gênicos prometem revolucionar a medicina ao contornar ou corrigir a base genética subjacente das doenças, mas todas essas ferramentas são limitadas por um requisito básico: é necessário que um número suficiente de células seja editado para que elas superem suas contrapartes doentes. Os tratamentos precisam corrigir cerca de 20% das células-tronco sanguíneas para manter a doença falciforme sob controle. Para a distrofia muscular de Duchenne, uma doença hereditária que enfraquece os músculos, mais de 15% das células-alvo precisam ser editadas.

Uma vez entregue às células, a maquinaria de edição fica confinada às células nas quais entra inicialmente. Para compensar, cientistas frequentemente aumentam a dose, mas isso aumenta o risco de desencadear ataques imunológicos e edições genéticas fora do alvo. As duas novas abordagens oferecem soluções potenciais para essa limitação fundamental na entrega de terapias gênicas.