Ученые использовали метод редактирования генов под названием CRISPR / Cas9 для создания мышей, которые точно имитируют смертельное респираторное заболевание новорожденных, при котором их губы и кожа становятся синими. Новая лабораторная модель позволила исследователям точно определить причину заболевания и разработать потенциальное и крайне необходимое лечение на основе наночастиц.
В основном неизлечимая дисплазия альвеолярных капилляров с смещением легочных вен (ACDMPV) обычно поражает младенцев в течение месяца после рождения, по словам исследователей из Медицинского центра детской больницы Цинциннати, которые публикуют результаты в Американском журнале респираторной и реанимационной медицины. Болезнь лишает легочную систему кислорода из-за того, что кровеносные сосуды легких не формируются должным образом во время развития органов. Отсутствие крошечных кровеносных сосудов, называемых альвеолярными капиллярами, вызывает гипоксию, воспаление и смерть.
"Не существует эффективных методов лечения, кроме трансплантации легких, поэтому потребность в новых терапевтических средствах является неотложной," сказал Влад Калиниченко, д.м.н.D., в Центре регенеративной медицины легких Детского перинатального института Цинциннати и ведущий исследователь. "Мы определили терапевтическую стратегию наночастиц для увеличения количества альвеолярных капилляров и помощи в сохранении дыхательной функции, по крайней мере, у части детей с этим врожденным заболеванием легких."
Заболевание давно связывают с мутациями в гене FOXF1, важном регуляторе эмбрионального развития легких. По словам исследователей, до этого исследования остается загадкой, являются точные микробиологические процессы, которые подпитывают ACDMPV.
Обнаружение соединения STAT3
В сотрудничестве с командой доктора Павла Станкевича из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне лаборатория Калиниченко проанализировала генетическую информацию из случаев ACDMPV у человека, чтобы создать первую клинически значимую модель ACDMPV на животных. Они использовали CRISPR / Cas9 для воссоздания мутаций человеческого FOXF1 у мышей. CRISPR-Cas9 позволяет точно редактировать гены, используя фермент для вырезания определенных участков последовательности ДНК и повторного присоединения свободных концов в желаемой точке, чтобы изменить генетический состав клетки.
Авторы пишут, что наличие клинически точных мышиных моделей болезни ACDMPV позволило ученым преодолеть давнее препятствие на пути к пониманию того, как развивается болезнь.
Работа также опиралась на обширный биоинформатический анализ клинических и лабораторных данных биологических тестов. Это включает в себя метод под названием ChIP-Seq (который анализирует взаимодействия белок-ДНК) и целое секвенирование экзома (которое выявляет расположение всех кодирующих белок областей генов).
Изучая взаимодействия белок-ДНК, связанные с геном FOXF1 в легочных клетках, авторы исследования обнаружили специфическую точечную мутацию с участием FOXF1 в месте связывания ДНК S52F ядерного белка FOXF1. Мутация блокировала молекулярную передачу сигналов множеству нижестоящих генов-мишеней, участвующих в формировании легочных кровеносных сосудов.
Они также обнаружили, что мутантный белок S52F FOXF1 не взаимодействует с белком под названием STAT3. Эта связь имеет решающее значение для стимуляции развития кровеносных сосудов в легком новорожденного. Это привело к дефициту STAT3 в развивающихся легких и неправильному формированию системы легочного кровообращения.
Исследователи также обнаружили дефицит STAT3 в донорских образцах от пациентов с ACDMPV, у которых были специфические точечные мутации в гене FOXF1. Авторы предположили, что лечение новорожденных мышей с помощью STAT3 будет стимулировать развитие кровеносных сосудов в легких, но им нужно было выяснить, как доставить белок в легкие.
Раствор наночастиц STAT3
Исследователи обратились к технологии наночастиц, чтобы доставить мини-ген STAT3 в легкие новорожденных мышей. Они создали новый состав так называемых наночастиц полиэтиленимина (PEI).
Желатиноподобные наночастицы PEI могут переносить терапевтический генетический материал в различные части тела, вводя их пациентам внутривенно. По словам авторов исследования, различные составы наночастиц PEI в настоящее время проходят клинические испытания на рак взрослых в других учреждениях.
Терапевтическое введение ДНК STAT3 новорожденным мышам с мутацией S52F FOXF1 восстановило способность эндотелиальных клеток образовывать легочные кровеносные сосуды. Это стимулировало рост кровеносных сосудов у животных и образование воздушных мешочков, называемых альвеолярными.
"Если эффективность наночастиц PEI будет подтверждена в клинических испытаниях, проводимых для лечения рака у взрослых, PEI можно будет рассмотреть для генной терапии STAT3 у младенцев с ACDMPV," Калиниченко сказал. "Учитывая, что ACDMPV является редким заболеванием, потребуется многоцентровое клиническое исследование для оценки эффективности генной терапии STAT3 у новорожденных и младенцев ACDMPV."
Первый автор исследования – Арун Прадхан, Ph.D., научный сотрудник лаборатории Калиниченко.