Maximizing the delivery and efficacy of miRNA therapeutics through nanocarrier design

项目摘要/摘要    称为 microRNA (miRNA) 的非编码核糖核酸分子最近变得非常重要  通过信使 RNA 降解或抑制靶基因表达的生物调节剂  翻译抑制。 由于 miRNA 可以调节基因表达，因此人们对利用这些  分子作为阻止疾病进展的工具。  不幸的是，裸露的 miRNA 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 整合到纳米载体中，以促进其体内递送。  虽然取得了一些进展  已经完成，还有很大的改进空间，事实证明，只有一个 miRNA  纳米载体已进入临床试验。  缺乏临床翻译表明迫切需要  机制研究，以阐明决定 miRNA 之间相互作用的基本原理  纳米载体和生物系统。  我们的目标是利用我们独特的专业知识来满足这一需求  纳米颗粒设计，其中包括 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 miRNA 纳米载体的物理和化学特性  影响与体内 miRNA 传递相关的挑战的五种具体结果。  这些  包括：稳定性和核酸酶抗性、细胞摄取和细胞内运输、基因调控效力、  生物分布以及阻止乳腺癌和骨质疏松症等疾病进展的能力。  由  研究这五个结果，我们可以加深对 miRNA 纳米载体对  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，并且可以是  应用于 miRNA 纳米载体的从头合成，以最大限度地提高其位点特异性递送和功效。  在接下来的五年中，我们将明确重点研究如何将靶向剂纳入 miRNA  纳米载体影响上述五个结果。  通过比较不同类型的靶向剂  （例如，抗体或蛋白质）我们可以增加对纳米颗粒相互作用机制的了解  细胞表面受体及其对信号转导的影响。  我们假设目标代理  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  这个假设是正确的，将 miRNA 传递与靶向剂介导的信号级联相结合  操作可能对患病细胞产生协同作用。  重要的是，在未来，我们将扩大我们的  研究调查 miRNA 纳米载体的其他特征，例如尺寸、形状和硬度。 这将启用  我们可以区分纳米载体本身如何影响各种生物学结果。 这个重要信息  将能够创建准确的设计规则，从而促进新 miRNA 更有效的临床翻译  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.