“Seringas” bacterianas projetadas podem fornecer medicamentos às células humanas

ACIMA: Joseph Kreitz, COM

Medicamentos sofisticados e eficazes para tratar doenças e outras condições não são bons se não conseguirem atingir a parte do corpo ou as células específicas que foram projetados para atingir. No entanto, os cientistas descobriram uma nova forma de fornecer proteínas minúsculas a células específicas, utilizando pequenas estruturas semelhantes a seringas encontradas naturalmente em certas bactérias. O estudo, publicado na Nature em 29 de março, poderá levar a melhores sistemas de administração de medicamentos na medicina.

“A entrega continua a ser um gargalo crítico na medicina”, disse o coautor do estudo e pesquisador do MIT, Joseph Kreitz. “Embora muitas novas terapias poderosas tenham sido desenvolvidas nas últimas décadas, precisaremos de um amplo banco de opções para levar essas terapias às células certas do corpo.”

No estudo, Kreitz, Feng Zhang, pesquisador do Broad Institute, e o resto de sua equipe se inspiraram na natureza, contando com pequenos micróbios que encontraram uma maneira de contornar esse problema. Bactérias endossimbióticas, ou bactérias que dependem de suas células hospedeiras para sobreviver, desenvolveram ferramentas como o sistema de injeção contrátil extracelular (eCIS), no qual as bactérias usam minúsculas nanomáquinas semelhantes a seringas para injetar cargas úteis de proteínas em suas células hospedeiras. As células hospedeiras, no caso da bactéria Photorhabdus asymbiotica, são as células que revestem o intestino dos nematóides. No novo estudo, Zhang e a equipe redesenharam as chamadas nanoseringas do Photorhabdus para direcionar e fornecer uma ampla variedade de proteínas em células humanas e animais.

Os pesquisadores primeiro confirmaram que os cassetes de virulência (PVCs) do Photorhabdus poderiam fornecer proteínas não nativas nas células hospedeiras. Eles usaram o sistema Cre-loxP para esses experimentos, em que a expressão de GFP nas células hospedeiras foi evitada por um códon STOP, flanqueado pela sequência loxP. Ao adicionar Cre recombinase, a enzima reconheceu os sítios loxP e extirpou o códon STOP. Assim, a expressão ativa de GFP serviu como um indicador de sucesso na entrega de Cre nas células.

Mas o verdadeiro desafio estava por vir: usar PVCs para atingir células humanas ou de camundongos – células muito diferentes das células hospedeiras de insetos que os PVCs eram conhecidos por atingir. Isso foi agravado pelo fato de que os cientistas nem tinham certeza de como os PVCs reconhecem as células dos insetos. O que se sabia, porém, é que esses PVCs se assemelham a estruturas usadas por bacteriófagos, vírus que usam caudas contráteis para injetar seu material genético nas bactérias.

“Suspeitamos que os PVCs reconheciam as células através de pequenos filamentos de proteínas chamados fibras da cauda, ​​mas inicialmente não estava claro como precisaríamos modificar essas fibras da cauda para alterar a especificidade do alvo deste sistema”, disse Kreitz.

Usando AlphaFold, a poderosa plataforma de IA que pode prever a estrutura 3D de uma proteína a partir de sua sequência de aminoácidos, a equipe poderia modelar a fibra da cauda do PVC para entender melhor como ela se liga ao seu receptor alvo. Os pesquisadores então reprojetaram as fibras da cauda de PVC para reconhecer especificamente um receptor nas células do adenocarcinoma do pulmão humano. Usando as fibras da cauda reprojetadas, eles foram capazes de carregar diferentes tipos de proteínas nessas células in vitro: as proteínas tóxicas nativas da bactéria, que mataram as células, e o Cre não-nativo, que tornou as células verdes. Eles agora tinham uma ferramenta de entrega que poderia – específica e eficazmente – microinjetar proteínas em células humanas.

“Posso imaginar que a natureza programável desta abordagem pode ser útil para alcançar melhorias na seletividade de alvos ou tecidos no futuro”, disse Angela Koehler, pesquisadora do MIT que não esteve envolvida neste estudo, ao The Scientist.

Em seguida, os pesquisadores testaram a capacidade do sistema de fornecer componentes de edição do genoma CRISPR para células-alvo in vitro. Embora a tecnologia CRISPR tenha sido amplamente adotada para a investigação terapêutica, a entrega direcionada continua a ser um grande desafio neste campo. “Continuamos ampliando essa caixa de ferramentas de modalidades de entrega; temos uma caixa de ferramentas de máquinas de edição de genoma, tipos de moléculas para entregar, e agora estamos expandindo a própria caixa de ferramentas de entrega”, disse Rodolphe Barrangou, pesquisador que trabalha com CRISPR na Universidade Estadual da Carolina do Norte e que não esteve envolvido neste estudo. Cientista.