Simulaties kunnen gentherapie effectiever maken

Kort & bondig

Sommige ziekten worden veroorzaakt door een fout in een gen. Die zouden te genezen zijn door een goedwerkend exemplaar ervan in cellen te brengen. Maar het is lastig om nieuwe genen een menselijke cel binnen te smokkelen. Virussen zijn daar heel goed in, maar kunnen een schadelijke afweerreactie veroorzaken. Daarom zijn wetenschappers geïnteresseerd in het gebruik van kleine vetbolletjes (lipoplexen) om genen de cel in te krijgen. Onderzoekers van de RUG hebben geavanceerde computersimulaties gebruikt om te bestuderen hoe lipoplexen precies de cel binnenkomen en daar de genen afleveren. Hiermee kunnen ze het proces verder verbeteren.

Ziekten die veroorzaakt worden door een genetische mutatie zijn in theorie te genezen met een goed werkende versie van het gen. Maar in de praktijk is het erg lastig om genetisch materiaal een menselijk cel binnen te smokkelen. Een veelbelovende techniek is het afleveren van genen via zogeheten DNA/lipide complexen (lipoplexen). Wetenschappers van de RUG hebben nu geavanceerde computersimulaties gebruikt om te onderzoeken hoe de lipoplexen DNA-fragmenten afleveren in cellen. De resultaten, die op 16 april zijn gepubliceerd in het tijdschrift eLife, zijn te gebruiken om dit proces effectiever te maken.

Virussen

Het idee achter gentherapie is eenvoudig: als een ziekte wordt veroorzaakt door een mutatie in een bepaald gen, kun je deze genezen met een gen zonder mutatie. Taaislijmziekte is een goed voorbeeld. De oorzaak hiervan is een mutatie in een gen dat voor de productie van het CFTR-eiwit zorgt. Wanneer het lukt dit gen in de longen te vervangen door een goed werkend exemplaar zou dat de ziekte genezen.

Maar ons lichaam is erg goed in het afbreken van vreemd DNA, dat maakt het afleveren van een nieuw gen in een cel erg lastig. Virussen zijn er goed in om genetisch materiaal in cellen te krijgen, alleen kunnen ze een afweerreactie veroorzaken. Die kan patiënten ziek maken, soms zo erg dat mensen er aan overlijden. Daarom experimenteren wetenschappers nu met op lipiden gebaseerde complexen die lijken op de structuur van de celmembraan.

Lipoplexen

‘Deze lipolexen worden door de cel opgenomen en komen dan terecht in een structuur die het endosoom heet’, legt Bart Bruininks uit. Hij is promovendus in de groep van hoogleraar Moleculaire Dynamica Siewert-Jan Marrink en eerste auteur van het artikel in eLife. ‘Het probleem is dat endosomen het opgenomen materiaal afbreken, dus het DNA moet er snel uit ontsnappen’, vertelt hij. Het lipoplex fuseert met de membraan van het endosoom, waardoor het DNA naar buiten kan glippen. ‘Dit moet zo efficiënt mogelijk gebeuren om afbraak van het DNA te voorkomen. Daarom willen we precies weten hoe de interactie tussen lipoplex en endosoom-membraan verloopt.’

Kanaaltjes

Het bestuderen hiervan in een experiment is zeer lastig. Daarom is besloten om dit te simuleren. ‘Onze groep heeft een ruime ervaring in computersimulaties van membraanfusie.’ Het fusieproces tussen lipoplex en membraan is met behulp van een grofkorrelige moleculaire dynamica simulatie gevisualiseerd, net als de manier waarop het DNA vervolgens uit het endosoom ontsnapt. ‘Deze simulaties vroegen echt het uiterste van onze techniek’, aldus Bruininks.

Het lipoplex bevat kleine kanaaltjes gevuld met water waarin het DNA zit. De lipiden van het lipoplex fuseren met de membraan van het endosoom. ‘Die lipiden vormen een steeltje dat verbinding legt tussen de twee, waarna beide lagen van de membraan fuseren. Op die manier ontstaat een porie die de kanaaltjes verbindt met het binnenste van de cel, waardoor het DNA kan ontsnappen’, vertelt Bruininks. ‘Nu we kunnen zien hoe het proces verloopt op moleculair niveau kunnen we het begrijpen, en dat helpt weer bij het verbeteren ervan.’ Hij voorspelt dat meervoudig onverzadigde vetzuren de fusie zullen versnellen, waardoor het DNA sneller in de cel terechtkomt. ‘Die voorspelling gaan we nu testen in het lab’.

Referentie: Bart M.H. Bruininks, Paulo C.T. Souza, Helgi Ingolfsson, Siewert-Jan J. Marrink: A molecular view on the escape of lipoplexed DNA from the endosome. eLife, 16 April