В исследовании, опубликованном в журнале Integrative Biology, исследователи использовали эту технологию для определения материалов, которые могут эффективно доставлять РНК рыбкам данио, а также грызунам. Этот тип высокоскоростного скрининга может помочь преодолеть одно из основных препятствий в разработке методов лечения болезней, основанных на биопрепаратах: сложно найти безопасные и эффективные способы их доставки.
«Биология — это самая быстрорастущая область биотехнологий, потому что она дает вам возможность создавать высокопрогнозные проекты с уникальными возможностями нацеливания», — говорит старший автор Мехмет Фатих Яник, доцент кафедры электротехники, информатики и биологической инженерии. "Однако доставка биопрепаратов к пораженным тканям затруднительна, поскольку они значительно крупнее и сложнее обычных лекарств."
«Объединив эту работу с нашей ранее опубликованной высокопроизводительной системой скрининга, мы можем создать конвейер по открытию новых лекарств с эффективностью, о которой мы даже не догадывались», — добавляет Цун-Яо Чанг, недавно получивший докторскую степень в Массачусетском технологическом институте и один из авторов статьи. ведущие авторы.
Пэн Ши, бывший постдок Массачусетского технологического института, ныне доцент Гонконгского университета, является другим ведущим автором статьи.
Рыба на лету
Рыбки данио обычно используются для моделирования болезней человека, отчасти потому, что их личинки прозрачны, что позволяет легко увидеть эффекты генетических мутаций или лекарств.
В 2010 году команда Яника разработала технологию для быстрого перемещения личинок рыбок данио на платформу для визуализации, их правильного ориентирования и визуализации.
Такая автоматизированная система позволяет проводить крупномасштабные исследования, поскольку анализ каждой личинки занимает менее 20 секунд по сравнению с несколькими минутами, которые потребовались бы ученому, чтобы оценить личинок вручную.
Для этого исследования команда Яника разработала новую технологию введения РНК, переносимую наночастицами, называемыми липидоидами, ранее разработанную Дэниелом Андерсоном, доцентом кафедры химической инженерии, членом Института интегративных исследований рака Коха и Института медицинской инженерии и науки, а также автор новой статьи. Эти жирные молекулы показали себя многообещающими в качестве средств доставки для РНК-интерференции, процесса, который позволяет отключать болезнетворные гены с помощью небольших цепей РНК.
Группа Яника протестировала около 100 липидоидов, которые не показали хороших результатов в тестах доставки РНК в клетки, выращенные в лабораторной посуде. Они разработали каждый липидоид для переноса РНК, экспрессирующей флуоресцентный белок, что позволяет им легко отслеживать доставку РНК, и вводили липидоиды в спинномозговую жидкость рыбок данио.
Чтобы автоматизировать этот процесс, рыбки данио были ориентированы либо сбоку, либо дорсально, когда они прибыли на смотровую площадку.
После того, как личинки были правильно выровнены, они были иммобилизованы гидрогелем. Затем комплекс липидоид-РНК вводили автоматически, руководствуясь алгоритмом компьютерного зрения. Система может быть адаптирована для нацеливания на любой орган, и процесс занимает около 14 секунд на каждую рыбу.
Через несколько часов после инъекции исследователи визуализировали рыбок данио, чтобы увидеть, отображают ли они какой-либо флуоресцентный белок в головном мозге, что указывает на то, успешно ли РНК вошла в ткань мозга, была поглощена клетками и экспрессировала желаемый белок.
Исследователи обнаружили, что некоторые липидоиды, которые плохо проявили себя в культивируемых клетках, действительно доставляли РНК эффективно в модели рыбок данио. Затем они протестировали шесть случайно выбранных липидоидов с лучшими и худшими показателями у крыс и обнаружили, что корреляция между характеристиками у крыс и рыбок данио составляет 97 процентов, что позволяет предположить, что рыбки данио являются хорошей моделью для прогнозирования успеха доставки лекарств у млекопитающих.
«Возможность идентифицировать полезные наночастицы для доставки лекарств с помощью этой миниатюрной системы имеет большой потенциал для ускорения нашего процесса открытия», — говорит Андерсон.
«Скрининг липидоидного материала — это всего лишь пример, продемонстрированный в этой статье; подобная стратегия может быть легко распространена на другие библиотеки или другие системы органов», — добавляет Пэн.
Джефф Карп, доцент медицины Гарвардской медицинской школы, не входивший в исследовательскую группу, говорит, что эта работа является «прекрасным примером использования многопрофильной команды для партнерства дополнительных технологий с целью решения единой проблемы.
Яник и его коллеги, обладающие обширным опытом в области высокопроизводительного скрининга рыбок данио и других мелких животных, объединились с Anderson et al., которые являются ведущими экспертами в области доставки РНК, чтобы создать новую платформу для быстрого скрининга биопрепаратов и методов их доставки. Этот подход должен быть полезен для лечения многих заболеваний."
Новые лиды
Теперь исследователи используют то, что они узнали о наиболее успешных липидоидах, выявленных в этом исследовании, чтобы попытаться разработать еще лучшие возможности. «Если мы сможем уловить определенные конструктивные особенности с экранов, это может помочь нам разработать более крупные комбинаторные библиотеки на основе этих выводов», — говорит Яник.
Лаборатория Яника в настоящее время использует эту технологию для поиска средств доставки, которые могут переносить биопрепараты через гематоэнцефалический барьер — очень избирательный барьер, затрудняющий попадание лекарств или других крупных молекул в мозг через кровоток.
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, премией Packard в области науки и техники, Sanofi Pharmaceuticals, Foxconn Technology Group и Фондом Hertz.