eCIS – en bakteriell injektionsnål som programmerats om för att leverera proteiner till humana celler

En bromskloss i den annars snabba utvecklingen av genterapier och andra genetiska läkemedel är att få in dem i rätt celler på ett säkert och effektivt sätt. I en studie som publicerats i Nature presenteras ett nytt verktyg med potential att helt förändra hur genetiska läkemedel levereras. Verktyget är en slags injektionsnål som vissa bakterier använder för att skjuta in toxiner (giftiga ämnen) i celler hos den organism de infekterar. Forskarna har isolerat injektionsnålen från bakterier och programmerat om den så att den kan användas på mänskliga celler och skjuta in proteiner av medicinsk relevans.

Den injektionsnål som programmerats om i studien kommer ursprungligen från en bakterie (Photorhabdus asymbiotica) som infekterar insekter. Bakterien dödar insekten genom att injicera gift i insektens celler. Det finns andra bakterier med liknande injektionsnålar som infekterar andra organismer, både djur och växter. Med ett gemensamt namn kallas nålarna för eCIS som är en förkortning av engelskans extracellular contractile injection systems.

Programmerbara transportmedel

Forskarna bakom studien isolerade injektionsnålen från bakterier och tog reda på vilken del av den som binder till just insektsceller. De kunde sedan modifiera nålens bindningsyta och styra om den till att binda till receptorer som finns på mänskliga celler som odlats i ett laboratorium. De visade hur nålen kan programmeras att binda till olika typer av celler, till exempel hudceller och cancerceller. Forskarna kunde även demonstrera att när nålen programmerats att binda till receptorer som finns på cancerceller, dödades dessa av toxinet som nålen injicerade.

Levererar proteiner med medicinsk relevans

Toxinet kan också bytas ut mot andra proteiner, till exempel Cas9. När Cas9 placerades i nålens lastutrymme och styrdes mot celler som innehöll ett guide-RNA så redigerades DNA:t i dessa celler. Tillsammans bildar Cas9 med guide-RNA komplexet CRISPR/Cas9 som inducerar en designerad redigering av DNA inne i cellkärnan. Redigeringen kunde bekräftas med sekvensbestämning som därmed bevisade att Cas9 injicerats i cellen, trots att Cas9 är nästan fem gånger större än det toxin som nålen vanligtvis hanterar.

Sticker utan att punktera

Den egenskap som gör injektionsnålen så intressant är att den kan penetrera ett cellmembran utan att cellen går sönder. Den levererar dessutom något till cellen, men stannar själv utanför. Det här är två önskvärda egenskaper för ett transportmedel av genetiska läkemedel, som till exempel genterapier. I de flesta genterapier som används i dag transporteras en terapeutisk gen in i patientens celler med hjälp av en virusvektor. Det är ett virus som modifierats genetiskt så att det inte kan spridas eller orsaka sjukdom. Trots det har det förekommit att patienter reagerat kraftigt på genterapi och virusvektorn kan vara det som triggar en immunologisk respons.

Samtliga experiment i studien gjordes i cellkulturer eller i möss, och det är en bit kvar innan nålens kliniska potential kan prövas. För att verkligen revolutionera utvecklingen av genetiska läkemedel behöver systemet kunna leverera inte bara proteiner, utan även DNA och RNA – något som forskarna bakom studien arbetar vidare med. De, och andra forskargrupper, undersöker även injektionsnålar från andra typer av bakterier. De bakterier som injicerar toxin i växtceller skulle till exempel vara intressanta kandidater för att använda inom växtförädling.

/Mia Olsson

2023-04-12

Källor:

Kreitz, J., Friedrich, M.J., Guru, A. et al. Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05870-7

Nature’s Needle: Feng Zhang’s Team Re-engineers Bacterial “Syringes” for Programmable Protein Delivery (genengnews.com)