麻省理工开发出安全高效的基因编辑递送体系
2017/11/16
美国麻省理工学院的研究人员已经开发出能递送CRISPR基因编辑系统的纳米颗粒,可以在小鼠中修改基因。这项技术将为包括肝脏疾病在内的许多疾病的治疗提供帮助。


图片来源 MIT

11月13日发表在Nature Biotechnology上的一篇研究文章中称,研究人员使用新的递送技术,能够在肝细胞中敲除约80%的基因,这是成年动物CRISPR曾经达到的最好成功率。文章的通讯作者Daniel Anderson说“真正令人兴奋的是,我们已经表明纳米颗粒可用于在成年动物的肝脏中永久性地编辑DNA。”

PCSK9是该研究中的一个靶向基因,其突变版本与人类罕见疾病——显性家族性高胆固醇血症有关。FDA最近批准了两个抗体药物抑制PCSK9。然而,这些抗体需要定期服用,以便在病人的余生中提供治疗。而根据麻省理工学院的研究结果,这种新的纳米颗粒在一次治疗后永久性地编辑了该基因。此项技术也为治疗其他肝脏疾病提供了希望

之前的递送手段

许多科学家正在努力开发安全和有效的方法来递送CRISPR所需的组件。在大多数情况下,研究人员依赖病毒来携带Cas9基因以及RNA引导链。然而一旦使用特定病毒,病人就会产生抗体,因此不能再次使用。另外,在一些患者中有针对该病毒预先存在的抗体。

2014年,该研究团队开发了一种非病毒载体系统,为在成年动物中用CRISPR治疗肝脏酪氨酸血症做出了第一个示范。然而,这种类型的递送需要高压注射,这种方法也会对肝脏造成一些损害。

新递送方式的设计

最新的这项研究将Cas9和RNA引导系统都使用纳米粒子递送的方法。为了递送RNAs引导链,研究人员首先必须对RNA进行化学修饰,以防止在到达目的地之前体内的酶将其分解。

分析了Cas9和RNA引导链形成的复合物结构,再找出化学修饰RNA引导链的哪些部分可以不干扰两分子的结合。基于此,研究人员创建并测试了许多可能的修饰组合。

第一作者Hao Yin 说:“我们利用Cas9和sgRNA复合物的结构做指导,通过测试找出我们可以修饰多达70%的RNA引导链。我们可以修改它并不会影响Cas9和sgRNA的结合,这种增强的修饰确实提高了活性。”

重编程肝脏

研究人员将这些修饰的RNA引导链包装到脂质纳米粒内,注射到含有编码Cas9 mRNA的纳米粒子的小鼠中去。他们先敲除了几个肝细胞表达的不同基因进行实验,但主要的注意力集中在胆固醇调节基因PCSK9上。研究人员能够消除80%的PCSK9基因,让PCSK9蛋白在这些小鼠中检测不到。他们还发现被处理小鼠的总胆固醇水平下降了35%

研究人员现在正致力于找到其他可能受益于这种方法的肝病,并将这些方法应用于患者。

Anderson说“我想通过合成的纳米粒子,可以成为一个强大的工具特异性地关闭基因,不仅针对PCSK9也可用于其他疾病。肝脏是一个非常重要的器官,也是许多人的疾病来源。如果你能重编程你的肝脏DNA,我们认为有许多疾病可以得到解决。”

参考资料

1) Structure-guided chemical modification of guide RNA enables potent non-viral in vivo genome editing

2) CRISPR-carrying nanoparticles edit the genome

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  • Structure-guided chemical modification of guide RNA enables potent non-viral in vivo genome editing

    Efficient genome editing with Cas9–sgRNA in vivo has required the use of viral delivery systems, which have limitations for clinical applications. Translational efforts to develop other RNA therapeutics have shown that judicious chemical modification of RNAs can improve therapeutic efficacy by reducing susceptibility to nuclease degradation. Guided by the structure of the Cas9–sgRNA complex, we identify regions of sgRNA that can be modified while maintaining or enhancing genome-editing activity, and we develop an optimal set of chemical modifications for in vivo applications. Using lipid nanoparticle formulations of these enhanced sgRNAs (e-sgRNA) and mRNA encoding Cas9, we show that a single intravenous injection into mice induces >80% editing of Pcsk9 in the liver. Serum Pcsk9 is reduced to undetectable levels, and cholesterol levels are significantly lowered about 35% to 40% in animals. This strategy may enable non-viral, Cas9-based genome editing in the liver in clinical settings.

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