Dendritiske nanostrukturer som transportører af genetisk medicin
Syntetiske dendritiske nanostrukturer er attraktive som transportører af genetisk medicin. Dendrimerer kan designes til at indkapsle det genetiske materiale, beskytte det under transporten gennem kroppen og frigive medicinen specifikt til de syge celler. Mange udfordringer skal dog løses, inden de nye lægemidler bliver klar til behandling af alvorlige sygdomme som leddegigt og kræft.
En dendrimer består af kaskader af gentagne strukturer, som udspringer fra en central kerne. Et godt eksempel på den dendritiske struktur er måden, hvorpå et træ fordeler sine grene og blade for at optage mest muligt sollys. Den samme struktur er til stede under jorden, hvor rødderne forgrener sig for at optage den maksimale mængde vand og næring til træet. Evolutionen har frembragt mange dendritiske strukturer i planter, dyr og mennesker. Det gælder også på det mikroskopiske plan; tænk bare på opbygningen af vores blodkar, som sikrer optimal fordeling af ilt til kroppens mange væv.
For godt 30 år siden blev de første dendrimerer fremstillet ved kemisk syntese. Dendrimerer er en klasse af polymerer baseret på et veldefineret kaskademotiv, og strukturerne blev navngivet ud fra de græske ord dendron som betyder træ/forgrening og meros som står for del.
Den dendritiske effekt
- Kemisk syntetiserede dendrimerer består af en kerne med forgreningspunkter, hvor antallet af forgreninger bestemmer dendrimerens størrelse og antal overfladegrupper. Det dendritiske motiv genfindes i træers kroner, som forgrener sig på en måde, så bladene får mest muligt sollys.
Dendrimerers opbygning sikrer maksimal interaktion med omgivelserne, som det er tilfældet i træer og blodkar, hvor den forgrenede struktur øger overfladen med henblik på optag og fordeling. I nanoskala kan den dendritiske struktur give forbedret binding til en overflade. Eksempelvis er gekkoens fødder beklædt med flere milliarder små hår, som forgrener sig i et dendritisk netværk, der sætter dyret i stand til at stå fast på stort set alle overflader både i vand og luft. Tager man de enkelte hår hver for sig, har de ikke kraft nok til at holde gekkoen fast, men fordi myriader af hår er placeret tæt ved hinanden, opstår der en synergistisk effekt, som medfører, at den samlede kraft er tilstrækkelig. Man kan sammenligne med velcrolukninger, hvor tusinder af små løkker tilsammen har en enorm styrke.
Viruspartikler benytter en tilsvarende metode til at binde med høj affinitet til receptorer på en celles overflade, hvorefter virus kan trænge ind i cellen og sprede sin smitte. Kendskabet til denne smittemekanisme er for nylig blevet udnyttet til at udvikle et dendrimerbaseret lægemiddel mod seksuelt overførte sygdomme som AIDS og herpes. I det nye lægemiddel VivaGel® fungerer dendrimererne ved at binde til virus, så viruspartiklerne ikke kan inficere kroppens celler. Det forventes, at produktet snarest kommer på markedet.
Genetisk nanomedicin
Genetisk medicin er baseret på DNA eller RNA. Når de genetiske byggesten kommer ind i cellerne, indgår de i cellens normale maskineri, og alt efter strategien bliver de brugt til at danne nye proteiner, som kan gøre cellen rask, eller til at hæmme de af cellens proteiner, som forårsager eller forværrer sygdommen.
Udfordringen for denne type behandling er, at de genetiske byggesten skal ind i cellerne for at virke. Dette er vanskeligt, fordi DNA og RNA er store negativt ladede molekyler, som i fri form hurtigt bliver fjernet af kroppens forsvarsmekanismer. Desuden kan DNA og RNA på grund af molekylernes størrelse og ladning ikke selv passere gennem cellemembraner. Gruppen på Det Farmaceutiske Fakultet forsker i udvikling af dendrimerer som transportører af små interfererende RNA-molekyler (siRNA). Det er korte dobbeltstrengede stykker RNA, som specifikt og effektivt kan skrue ned for udvalgte gener i en celle. Projektet udføres i samarbejde med Ulrik Boas fra Veterinærinstitutet på DTU samt Michael Pittelkow og Jørn B. Christensen fra Kemisk Institut på Københavns Universitet, og det er en del af et større EU-projekt, MEDITRANS, der skal målrette nanomedicin specifikt til de sygdomsramte celler via anvendelse af forskellige hjælpestoffer. Projektet fokuserer på behandling af leddegigt og kræft.
- Interaktion mellem et siRNA-molekyle og en dendrimer ved elektrostatisk binding. Når kompleksets nettoladning er positiv, kan det binde sig til negativt ladede molekyler på cellemembranen og derefter optages i cellen, hvor det genetiske lægemiddel aktiveres.
Dendrimerer som transportører
Kroppens immunforsvar er specialiseret i at genkende frit DNA og RNA, som kan være et tegn på infektion, og derfor vil terapeutisk RNA hurtigt blive nedbrudt i blodet – medmindre det beskyttes.
De funktionelle grupper på overfladen af dendrimererne kan bruges både til at beskytte siRNA under transporten gennem blodbanen og til at hjælpe den genetiske medicin ind i de sygdomsramte celler. Fx kan en positivt ladet dendrimer binde et negativt ladet siRNA molekyle og samtidig skabe kontakt til celleoverfladen, som også er negativt ladet.
En lovende mulighed er at anvende såkaldte dendriplexer, som kan dannes under veldefinerede eksperimentelle forhold. Dendriplexer er komplekser af flere siRNA-molekyler og dendrimerer. Ved at justere på ratioen af positive og negative ladninger for henholdsvis dendrimer og siRNA kan man danne komplekser, hvor siRNA beskyttes i midten af dendriplexet, mens overfladen er positivt ladet og i stand til at binde sig til cellemembraner.
Størrelsen på dendriplexet kan reguleres via dendrimerernes størrelse. Store dendrimerer med en høj ladningstæthed danner små kompakte dendriplexer med siRNA, mens mindre dendrimerer danner større komplekser med mindre veldefineret struktur. Dette er vigtigt, fordi dendriplexerne skal indsprøjtes i blodbanen, og her er det størrelsen, som bestemmer deres endelige skæbne. Meget små komplekser bliver hurtigt udskilt gennem nyrerne, men når komplekserne har en diameter på 100-200 nanometer, forbliver de i blodbanen, og med tiden ophobes dendriplexerne i de betændte led. Hvis komplekserne er endnu større vil de ikke få adgang til de betændte led, og man risikerer, at de sætter sig fast i nogle af de små og tynde kapillærer i kroppen.
Den næste udfordring efter lokalisering til det syge væv er, at dendriplexerne skal transporteres ind i de rette celler, hvor medicinen skal virke. Her kan man udnytte, at de sygdomsramte celler har mange receptorer, som cellerne bruger til at skaffe sig næring. Ved at målrette dendriplexernes overflade mod disse receptorer, så de binder sig til receptorerne, kan vi kopiere viruspartiklers multivalente binding og derved få medicinen sendt ind i de syge celler ved hjælp af den dendritiske effekt.
- Dendriplex dannet ved elektrostatisk interaktion mellem adskillige siRNA- og dendrimermolekyler. Dette er en hypotetisk model, da der endnu ikke foreligger noget bevis for, hvordan dendriplexerne er opbygget molekylært.
Fremtidige udfordringer
Dendriplexer er på nuværende tidspunkt lovende kandidater til avanceret medicinsk behandling af leddegigt og andre betændelsessygdomme samt forskellige typer af kræft. Men der er stadig mange udfordringer at arbejde med, før dendrimerbaserede lægemidler kan markedsføres.
På Det Farmaceutiske Fakultet anvender vi et cellulært modelsystem til at belyse struktur-funktions-sammenhænge mellem dendriplexernes karakteristika og deres effektivitet. Næste trin bliver at arbejde med at afskærme dendriplexerne mod de destabiliserende komponenter i blodbanen, så de kan nå frem til de sygdomsramte væv. Målet er at opnå en god beskyttelse af dendriplexerne samtidig med, at dendrimerernes binding til siRNA ikke må være for stærk. For dendriplexerne skal jo i sidste ende være i stand til at frigive lægemiddelstoffet, så det kan virke terapeutisk i de sygdomsramte celler.
Leddegigt – en smertefuld kronisk lidelse
Leddegigt (reumatoid arthritis) er en betændelsestilstand, som oftest opstår i fingre, håndled, albuer og skuldre samt tæer, ankler og knæ. 1 ud af 100 voksne personer har sygdommen, som typisk forekommer hos folk over 40 år. Kvinder rammes oftere end mænd.
Leddegigt er en autoimmun sygdom, hvor kroppens eget immunforsvar går til angreb på leddene. Man ved ikke, hvorfor leddene bliver angrebet, men sygdommen forårsager stivhed, smerter og nedsat evne til at bevæge sig. Med tiden kan der dannes gigtknuder under huden nær de betændte led. Desuden kan brusk og knogler blive destrueret, hvilket deformerer leddene, så sygdommen kan være direkte invaliderende.
De nuværende behandlinger forsøger at kontrollere symptomerne og forebygge yderligere skader på leddene, og de spænder fra smertestillende og anti-inflammatorisk medicin til kirurgiske indgreb. Målet med genetisk medicin er at nedregulere sygdomsrelaterede proteiner og derved neutralisere sygdommen, så smerte og knogledestruktion stoppes.
