Wissenschaftler verwandeln rote Blutkörperchen in langlebige Arzneimittel- und Bildgebungsträger bei Mäusen

Eine neue präklinische Studie zeigt, dass rote Blutkörperchen lebend markiert und als langanhaltende Träger für bildgebende Verfahren und Therapien verwendet werden können, was einen neuen Weg für eine sicherere Medikamentenabgabe und Gefäßbildgebung eröffnet.

Bild aus Nature Communications

In einer aktuellen Studie, die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, beschreiben Forscher die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Markierung roter Blutkörperchen (RBC), die auf einer speziellen Form von Zucker basiert. Die Forscher verwendeten spezielle Azido-Zucker, um zirkulierende RBCs mit chemischen „Haken“ (Azidogruppen) zu kennzeichnen. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass diese Stoffwechselmarkierungen mehr als 42 Tage in vivo bestehen blieben, was fast der Lebensdauer von roten Blutkörperchen bei Mäusen (in präklinischen Mäusemodellen) entspricht. Dies ermöglichte die anschließende Anheftung von bildgebenden Substanzen und Medikamenten über „Klick-Chemie“-Ansätze.

Rote Blutkörperchen als Medikamententräger

Rote Blutkörperchen (RBCs) gelten als die physiologischen „Arbeiter“ des Kreislaufsystems und machen über 99 % aller Blutzellen aus. Studien haben gezeigt, dass RBCs eine relativ lange Lebensdauer haben; etwa 120 Tage beim Menschen und 45 Tage bei Mäusen. Daher betrachten Forscher sie als ideale Kandidaten für den Transport von Medikamenten oder Kontrastmitteln für die medizinische Bildgebung.

Leider erfordern die aktuellen „Goldstandard“-Ansätze zur Konstruktion von RBCs mit Bildgebungs- oder Medikamentenlieferfähigkeiten das Extrahieren und Isolieren dieser Zellen von Patienten, ihre fehleranfällige Manipulation in sterilen Umgebungen und ihre sichere Wiedereinführung in die Patienten. Dieser Prozess ist zeitaufwendig und teuer und ist auch mit Zellschäden oder der Übertragung von Infektionen verbunden.

Die aktuelle Forschung zielt daher darauf ab, Methoden zu entwickeln, die RBCs sicher und spezifisch anvisieren und sie bioengineering, ohne dass eine Entnahme oder Wiedereinführung erforderlich ist. Frühere Versuche mit physikalischer Adsorption oder genetischer Manipulation waren jedoch durch schwache Bindungen oder Sicherheitsbedenken eingeschränkt.

Metabolische Glycoengineering-Methode zur RBC-Markierung

Die vorliegende Studie hatte zum Ziel, diese bestehenden Einschränkungen zu überwinden, indem eine neuartige Markierungsmethode entwickelt wurde, die endogene glykanbiosynthetische Wege nutzt, um einen chemischen Griff zu installieren. Dabei wurde eine Technik verwendet, die als „metabolisches Glycoengineering“ bezeichnet wird, bei der tetraacetyl-N-azidoacetylmannosamin (AAM, ein Azidosaccharid) in weibliche C57BL/6- oder Balb/c-Mäuse injiziert wurde.

Die methodologische Grundlage dieses Prozesses war, dass die Azido-Zucker, wenn sie in den Blutkreislauf der Mäuse injiziert werden, von Zellen aufgenommen und in die Glykoproteine und Glykolipide auf den äußeren Membranen der RBCs integriert würden, wobei die Markierung auch RBC-Vorläuferzellen im Knochenmark umfasste.

Die experimentelle Methodik umfasste die Verabreichung von AAM (100 mg/kg) durch intravenöse oder intraperitoneale Injektion zweimal täglich über 3 Tage. Die Aufnahme der Azido-Zucker wurde mit einem dibenzocyclooctyne (DBCO)-Cy5-Assay überprüft. Darüber hinaus wurde die Dauer des Verbleibs der Markierungen geschätzt, indem die Cy5-Spiegel in RBCs überwacht und mit denen in weißen Blutkörperchen (WBCs) und anderen Geweben verglichen wurden.

Um die praktische Nutzbarkeit dieser Markierungen zu bestätigen, hängte die Studie Fluoreszenzfarbstoffe an die Azido-Zucker für die Bildgebung von Blutgefäßen. Außerdem wurde Gadolinium (Gd) für die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet, und Insulin wurde verwendet, um die Wirksamkeit der Behandlung im Vergleich zur herkömmlichen Verabreichung in diabetischen Mäusemodellen zu bewerten.

Die Studie konzentrierte sich auf die Effizienz der RBC-Markierung und deren Beständigkeit über die Zeit, das sich entwickelnde Zielfenster im Vergleich zu Zellen, die keine RBCs sind, sowie den Nachweis von Bildgebung und Medikamentenlieferung, gemessen durch den Prozentsatz der Blutzellen, die erfolgreich das Azido-Tag über die Zeit tragen.

Langanhaltende Markierungen und Ergebnisse zur Zielgenauigkeit

Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die neuartigen Azido-Zucker-Markierungen eine verlängerte Persistenz in den RBCs und ein sich im Zeitverlauf erweiterndes Ziel-Fenster aufwiesen. DBCO-Cy5-Assays zeigten, dass AAM erfolgreich 10-15% aller zirkulierenden RBCs markierte. Entscheidenderweise erschienen die Markierungen zunächst in vielen Zelltypen, blieben jedoch in WBCs und nicht anvisierten Geweben nur etwa 3 Tage bestehen, während sie in den RBCs über 42 Tage anhielten.

Diese Beständigkeit wurde darauf zurückgeführt, dass WBCs und Zellen des nicht anvisierten Gewebes viel schneller teilen und metabolisieren als RBCs. Bemerkenswerterweise stellte die Studie fest, dass am Tag 7,5 die Anzahl der markierten RBCs 3.844 Mal höher war als die der markierten WBCs, was ein breites Fenster für eine spezifische Zielansteuerung bietet.

Wirksamkeitsanalysen zeigten, dass das Anbringen von Gd an RBCs langfristige MRT-Scans von Blutgefäßen im Gehirn über mehr als 11 Tage mit einer einzigen Dosis ermöglichte. Traditionelle Kontrastmittel werden normalerweise innerhalb von Minuten ausgespült. Konkret zeigte das MRT-Signal am Tag 4 eine 1,23-fache Verbesserung (p = 0,0022).

Ähnlich blieb das DBCO-Insulin, das an die markierten RBCs in diabetischen Mäusen „angedockt“ wurde, signifikant länger im Blutkreislauf, was zu einer erheblich verbesserten Modulation der Blutzuckerwerte im Vergleich zu standardmäßigen Insulin-Injektionen führte (p = 0,0291). Der verwendete Insulin-Konstrukt hatte eine hydrolysierbare Esterbindung, und die Ergebnisse deuten auf verbesserte Pharmakokinetik und Blutzuckerregelung bei Mäusen hin, ohne dabei eine klinische Wirksamkeit nachzuweisen.

Sicherheitsbewertungen zeigten, dass der Markierungsprozess die Zellform oder wichtige Stoffwechselmarker wie ATP-Spiegel nicht veränderte und keine Gewebetoxizität in der Leber, Milz oder den Nieren verursachte, was die methodische Sicherheit des Prozesses in präklinischen Säugetiermodellen validiert. In der Studie wurde auch keine auffällige Toxizität im Herz- und Lungengewebe festgestellt, und es gab vernachlässigbare Veränderungen in den RBC- und WBC-Zahlen, den Leukocyten-Subtypen und den Maßzahlen zur Zerbrechlichkeit von RBCs.

Schlussfolgerungen zur therapeutischen Plattform auf Basis von RBCs

Die vorliegende Studie demonstriert erfolgreich eine vielversprechende präklinische Plattform für RBC-basierte Bildgebung und Medikamentenlieferung. Durch die Validierung der Sicherheit dieses Prozesses, wenn auch nur in präklinischen Mäusemodellen, zeigt die Studie eine Plattform, die praktische Vorteile gegenüber bestehenden ex vivo RBC-Konstruktionsansätzen bieten kann, auch wenn weitere Optimierung und Übersetzungstests erforderlich bleiben.

Obwohl die Studie an Mäusen durchgeführt wurde, stellten die Forscher fest, dass menschliche RBCs dreimal länger leben (120 Tage), was darauf hindeutet, dass die Technologie letztendlich robuster bei Menschen sein könnte, obwohl dies noch nicht getestet wurde. Zukünftige Arbeiten sollten sich darauf konzentrieren, die „Zucker-Tags“ noch spezifischer für RBCs zu machen, um potenzielle Off-Target-Effekte zu reduzieren, bevor klinische Studien am Menschen in Angriff genommen werden.

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