I ricercatori hanno sviluppato nanoparticelle in grado di penetrare nella retina neurale e fornire mRNA alle cellule dei fotorecettori il cui corretto funzionamento rende possibile la visione.

Gli scienziati dell’Oregon State University College of Pharmacy hanno dimostrato in modelli animali la possibilità di utilizzare nanoparticelle lipidiche e RNA messaggero, la tecnologia alla base dei vaccini COVID-19, per trattare la cecità associata a una rara condizione genetica.

Lo studio è stato pubblicato oggi (11 gennaio 2023) sulla rivista I progressi della scienza. È stato guidato dal professore associato di scienze farmaceutiche dell’OSU Gaurav Sahay, dallo studente di dottorato dell’Oregon State Marco Herrera-Barrera e dall’assistente professore di oftalmologia dell’Oregon Health & Science University Renee Ryals.

Gli scienziati hanno superato quella che era stata la principale limitazione dell’utilizzo di nanoparticelle lipidiche, o LNP, per trasportare materiale genetico ai fini della terapia della vista, facendole raggiungere la parte posteriore dell’occhio, dove si trova la retina.

I lipidi sono acidi grassi e composti organici simili tra cui molti oli e cere naturali. Le nanoparticelle sono minuscoli pezzi di materiale di dimensioni variabili da uno a 100 miliardesimi di metro. L’RNA messaggero fornisce istruzioni alle cellule per produrre una particolare proteina.

Con i vaccini contro il coronavirus, l’mRNA trasportato dagli LNP istruisce le cellule a creare un pezzo innocuo della proteina spike del virus, che innesca una risposta immunitaria dal corpo. Come terapia per la compromissione della vista derivante dalla degenerazione retinica ereditaria, o IRD, l’mRNA istruirebbe le cellule dei fotorecettori – difettose a causa di una mutazione genetica – a produrre le proteine ​​necessarie per la vista.

L’IRD comprende un gruppo di disturbi di varia gravità e prevalenza che colpiscono una persona su poche migliaia in tutto il mondo.

Gli scienziati hanno dimostrato, in una ricerca che ha coinvolto topi e primati non umani, che gli LNP dotati di peptidi erano in grado di passare attraverso le barriere negli occhi e raggiungere la retina neurale, dove la luce viene trasformata in segnali elettrici che il cervello converte in immagini.

“Abbiamo identificato un nuovo set di peptidi che possono raggiungere la parte posteriore dell’occhio”, ha detto Sahay. “Abbiamo usato questi peptidi per agire come codici postali per consegnare nanoparticelle che trasportano materiali genetici all’indirizzo previsto all’interno dell’occhio”.

“I peptidi che abbiamo scoperto possono essere usati come ligandi mirati direttamente coniugati a RNA silenzianti, piccole molecole per terapie o come sonde di imaging”, ha aggiunto Herrera-Barrera.

Sahay e Ryals hanno ricevuto una sovvenzione di 3,2 milioni di dollari dal National Eye Institute per continuare a studiare la promessa delle nanoparticelle lipidiche nel trattamento della cecità ereditaria. Condurranno la ricerca sull’uso degli LNP per fornire uno strumento di editing genetico che potrebbe eliminare i geni cattivi nelle cellule dei fotorecettori e sostituirli con geni correttamente funzionanti.

La ricerca mira a sviluppare soluzioni per le limitazioni associate all’attuale principale mezzo di consegna per l’editing genetico: un tipo di virus noto come virus adeno-associato o AAV.

“L’AAV ha una capacità di confezionamento limitata rispetto agli LNP e può provocare una risposta del sistema immunitario”, ha affermato Sahay. “Inoltre, non funziona in modo fantastico nel continuare a esprimere gli enzimi che lo strumento di modifica utilizza come forbici molecolari per eseguire tagli nel DNA da modificare. Speriamo di utilizzare ciò che abbiamo appreso finora sugli LNP per sviluppare un sistema di consegna dell’editor di geni migliorato”.

Riferimento: “Le nanoparticelle lipidiche guidate da peptidi forniscono mRNA alla retina neurale di roditori e primati non umani” 11 gennaio 2023, I progressi della scienza.
DOI: 10.1126/sciadv.add4623

Lo studio LNP guidato dai peptidi è stato finanziato dal National Institutes of Health. Hanno partecipato alla ricerca per l’Oregon State anche i docenti del College of Pharmacy Oleh Taratula e Conroy Sun, i ricercatori post-dottorato Milan Gautam e Mohit Gupta, gli studenti di dottorato Antony Jozic e Madeleine Landry, l’assistente di ricerca Chris Acosta e lo studente universitario Nick Jacomino, uno studente di bioingegneria al College di Ingegneria che si è laureata nel 2020.

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I ricercatori fanno un “balzo in avanti significativo” con la simulazione quantistica del trasferimento di elettroni molecolari

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I ricercatori della Rice University hanno fatto un progresso significativo nella simulazione del trasferimento di elettroni molecolari, un processo fondamentale alla base di innumerevoli processi fisici, chimici e biologici. Lo studio, pubblicato in Progressi della scienzadescrive in dettaglio l’uso di un simulatore quantistico di ioni intrappolati per modellare le dinamiche di trasferimento degli elettroni con una regolazione senza precedenti, aprendo nuove opportunità per l’esplorazione scientifica in campi che vanno dall’elettronica molecolare alla fotosintesi.

Il trasferimento di elettroni, fondamentale per processi come la respirazione cellulare e la raccolta di energia nelle piante, rappresenta da tempo una sfida per gli scienziati a causa delle complesse interazioni quantistiche coinvolte. Le attuali tecniche computazionali spesso non riescono a cogliere l’intera portata di questi processi. Il team multidisciplinare della Rice, che comprende fisici, chimici e biologi, ha affrontato queste sfide creando un sistema quantistico programmabile in grado di controllare in modo indipendente i fattori chiave nel trasferimento di elettroni: gap energetici donatore-accettore, accoppiamenti elettronici e vibronici e dissipazione ambientale.

Utilizzando un cristallo ionico intrappolato in un sistema a vuoto e manipolato dalla luce laser, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di simulare la dinamica dello spin in tempo reale e di misurare le velocità di trasferimento in una serie di condizioni. I risultati non solo convalidano le teorie chiave della meccanica quantistica, ma aprono anche la strada a nuove conoscenze sui sistemi di raccolta della luce e sui dispositivi molecolari.

“Questa è la prima volta che questo tipo di modello è stato simulato su un dispositivo fisico includendo il ruolo dell’ambiente e persino adattandolo in modo controllato”, ha affermato il ricercatore capo Guido Pagano, assistente professore di fisica e astronomia. “Rappresenta un significativo passo avanti nella nostra capacità di utilizzare simulatori quantistici per studiare modelli e regimi rilevanti per la chimica e la biologia. La speranza è che, sfruttando la potenza della simulazione quantistica, saremo finalmente in grado di esplorare scenari che sono attualmente inaccessibile ai metodi computazionali classici.”

Il team ha raggiunto un traguardo significativo replicando con successo un modello standard di trasferimento di elettroni molecolari utilizzando una piattaforma quantistica programmabile. Attraverso la precisa ingegneria della dissipazione sintonizzabile, i ricercatori hanno esplorato sia i regimi adiabatici che quelli non adiabatici del trasferimento di elettroni, dimostrando come questi effetti quantistici operano in condizioni variabili. Inoltre, le loro simulazioni hanno identificato condizioni ottimali per il trasferimento di elettroni, che sono parallele ai meccanismi di trasporto dell’energia osservati nei sistemi fotosintetici naturali.

“Il nostro lavoro è guidato dalla domanda: è possibile utilizzare l’hardware quantistico per simulare direttamente la dinamica chimica?” Ha detto Pagano. “Nello specifico, possiamo incorporare gli effetti ambientali in queste simulazioni poiché svolgono un ruolo cruciale nei processi essenziali per la vita come la fotosintesi e il trasferimento di elettroni nelle biomolecole? Rispondere a questa domanda è significativo in quanto la capacità di simulare direttamente il trasferimento di elettroni nelle biomolecole potrebbe fornire preziose informazioni per la progettazione di nuovi materiali che raccolgono la luce.”

Le implicazioni per le applicazioni pratiche sono di vasta portata. Comprendere i processi di trasferimento degli elettroni a questo livello potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie nelle tecnologie delle energie rinnovabili, nell’elettronica molecolare e persino nello sviluppo di nuovi materiali per l’informatica quantistica.

“Questo esperimento è un primo passo promettente per acquisire una comprensione più profonda di come gli effetti quantistici influenzano il trasporto di energia, in particolare nei sistemi biologici come i complessi fotosintetici”, ha affermato Jose N. Onuchic, coautore dello studio, Harry C. e Olga K. Wiess. Cattedra di Fisica e professore di fisica e astronomia, chimica e bioscienze. “Le informazioni che otteniamo in questo tipo di esperimento potrebbero ispirare la progettazione di materiali più efficienti per la raccolta della luce.”

Peter G. Wolynes, coautore dello studio, professore di scienze della DR Bullard-Welch Foundation e professore di chimica, bioscienze, fisica e astronomia, ha sottolineato il significato più ampio dei risultati: “Questa ricerca colma il divario tra previsioni teoriche e verifica sperimentale , offrendo un quadro squisitamente sintonizzabile per esplorare i processi quantistici in sistemi complessi.”

Il team prevede di estendere le proprie simulazioni per includere sistemi molecolari più complessi come quelli coinvolti nella fotosintesi e nel trasporto di carica del DNA. I ricercatori sperano anche di studiare il ruolo della coerenza quantistica e della delocalizzazione nel trasferimento di energia, sfruttando le capacità uniche della loro piattaforma quantistica.

“Questo è solo l’inizio”, ha detto Han Pu, co-autore principale dello studio e professore di fisica e astronomia. “Siamo entusiasti di esplorare come questa tecnologia possa aiutare a svelare i misteri quantistici della vita e oltre”.

Gli altri coautori dello studio includono gli studenti laureati Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Abhishek Menon, Mingjian Zhu e il ricercatore Roman Zhuravel.

Questa ricerca è stata resa possibile grazie al Welch Foundation Award C-2154, al Office of Naval Research Young Investigator Program (No. N00014-22-1-2282), al National Science Foundation CAREER Award (No. PHY-2144910), al Ufficio di ricerca dell’esercito (W911NF22C0012), l’Ufficio di ricerca navale (n. N00014-23-1-2665), il NSF (PHY-2207283, PHY-2019745 e PHY-2210291) e la cattedra DR Bullard-Welch presso Rice (n. C0016). Gli autori riconoscono che questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal Dipartimento dell’Energia, dell’Ufficio della Scienza e dell’Ufficio di Fisica Nucleare degli Stati Uniti con il premio Early Career Award n. DE-SC0023806. Gli isotopi utilizzati in questa ricerca sono stati forniti dal Programma isotopico del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti gestito dall’Ufficio di ricerca e sviluppo e produzione di isotopi.



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