Maximizing the delivery and efficacy of miRNA therapeutics through nanocarrier design

项目概要/摘要 称为microRNA（miRNAs）的非编码核糖核酸分子最近成为重要的 通过信使RNA降解抑制靶基因表达的生物调节剂，或 翻译抑制由于miRNAs可以调节基因表达，因此利用这些miRNAs具有强烈的兴趣。 分子作为阻止疾病进展的工具。 不幸的是，裸miRNAs不适合临床使用 由于其稳定性差、循环半衰期有限且无法进入细胞。 因此，研究人员 已经开始将miRNA掺入纳米载体中以促进其体内递送。 一些进展 尽管已经取得了进展，但仍有很大的改进空间，这一事实证明， 纳米载体已经进入临床试验。 这种临床翻译的缺乏表明迫切需要 机制研究，以阐明指导miRNA之间相互作用的基本原理， 纳米载体和生物系统。 我们的目标是通过利用我们独特的专业知识来满足这一需求， 纳米颗粒设计，包括miRNA纳米载体和靶向纳米颗粒的经验 系统.更具体地说，我们将阐明如何miRNA纳米载体的物理和化学性质， 影响与体内miRNA递送相关的挑战相关的五个具体结果。 这些 包括：稳定性和核酸酶抗性，细胞摄取和细胞内运输，基因调节效力， 生物分布和阻止疾病进展的能力，包括乳腺癌和骨质疏松症。 通过 通过研究这五个结果，我们可以增加对miRNA纳米载体对肿瘤细胞的影响的理解。 身体，以及身体对miRNA纳米载体的影响。这将使我们能够建立一套设计 控制miRNA纳米载体和生物系统之间相互作用的规则， 应用于miRNA纳米载体的从头合成，以最大化其位点特异性递送和功效。 在接下来的五年里，我们将重点研究如何将靶向药物整合到miRNA中， 纳米载体影响上述五种结果。 通过比较不同类型的靶向剂 (e.g., 抗体或蛋白质），我们可以增加纳米颗粒相互作用机制的知识， 细胞表面受体及其对信号转导的影响。 我们假设靶向剂 不仅可以促进细胞结合，还可以通过受体介导的过程操纵信号级联。如果 这一假设是正确的，将miRNA递送与靶向剂β-介导的信号级联结合起来， 操纵可能对患病细胞具有协同效应。 重要的是，未来我们将扩大我们的 研究miRNA纳米载体的其他特征，如大小，形状和刚度。这将使 我们来区分纳米载体本身如何影响各种生物学结果。这一重要信息 将能够创建精确的设计规则，这将有助于更有效地临床翻译新的miRNA 用于疾病干预的纳米载体。

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT    Noncoding  ribonucleic  acid  molecules  called  microRNAs  (miRNAs)  have  recently  emerged  as  important  biological  regulators  that  suppress  the  expression  of  target  genes  via  messenger  RNA  degradation  or  translational repression. Since miRNAs can regulate gene expression, there is intense interest in utilizing these  molecules  as  tools  to  halt  disease  progression.  Unfortunately,  naked  miRNAs  are  not  suitable  for  clinical  use  due  to  their  poor  stability,  limited  circulation  half-­‐‑life,  and  inability  to  enter  cells.  Accordingly,  researchers  have  begun  to  incorporate  miRNAs  into  nanocarriers  to  facilitate  their  in  vivo  delivery.  While  some  progress  has  been  made,  there  is  substantial  room  for  improvement,  evidenced  by  the  fact  that  only  a  single  miRNA  nanocarrier  has  entered  clinical  trials.  This  lack  of  clinical  translation  indicates  there  is  an  urgent  need  for  mechanistic  studies  to  elucidate  the  underlying  principles  that  dictate  the  interactions  between  miRNA  nanocarriers  and  biological  systems.  We  aim  to  address  this  need  by  capitalizing  on  our  unique  expertise  in  nanoparticle  design,  which  includes  experience  with  both  miRNA  nanocarriers  and  targeted  nanoparticle  systems. More specifically, we will elucidate how the physical and chemical properties of miRNA nanocarriers  influence  five  specific  outcomes  related  to  the  challenges  associated  with  in  vivo  miRNA  delivery.  These  include:  stability  and  nuclease  resistance,  cell  uptake  and  intracellular  trafficking,  gene  regulation  potency,  biodistribution,  and  ability  to  halt  progression  of  diseases  including  breast  cancer  and  osteoporosis.  By  studying  these  five  outcomes,  we  can  increase  understanding  of  the  effects  of  miRNA  nanocarriers  on  the  body, as well as the effects of the body on miRNA nanocarriers. This will enable us to establish a set of design  rules  that  govern  the  interactions  between  miRNA  nanocarriers  and  biological  systems  and  which  can  be  applied  in  the  de  novo  synthesis  of  miRNA  nanocarriers  to  maximize  their  site-­‐‑specific  delivery  and  efficacy.  Over the next five years we will focus explicitly on studying how incorporating targeting agents into miRNA  nanocarriers  influences  the  five  aforementioned  outcomes.  By  comparing  different  types  of  targeting  agents  (e.g.,  antibodies  or  proteins)  we  can  increase  knowledge  of  the  mechanisms  of  nanoparticle  interactions  with  cell  surface  receptors  and  the  impact  they  have  on  signal  transduction.  We  hypothesize  that  targeting  agents  can not only promote cell binding, but also manipulate signaling cascades via receptor-­‐‑mediated processes. If  this  hypothesis  is  correct,  combining  miRNA  delivery  with  targeting  agent-­‐‑mediated  signal  cascade  manipulation  may  have  synergistic  effects  on  diseased  cells.  Importantly,  in  the  future  we  will  expand  our  studies to investigate other features of miRNA nanocarriers such as size, shape, and stiffness. This will enable  us to distinguish how the nanocarrier itself influences various biological outcomes. This important information  will enable creation of accurate design rules that will facilitate more efficient clinical translation of new miRNA  nanocarriers for disease intervention.