在一項(xiàng)新的研究中，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出可以提供CRISPR基因組編輯系統(tǒng)并特異性修飾小鼠基因的納米顆粒。該團(tuán)隊(duì)使用納米粒子攜帶CRISPR組件，無需使用病毒進(jìn)行傳遞。利用新的傳遞技術(shù)，研究人員能夠在大約80%的肝細(xì)胞中切除某些基因，這是CRISPR在成年動(dòng)物中取得的最佳成功率。

麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系副教授丹尼爾安德森說：“這里真正令人興奮的是，我們已經(jīng)證明你可以制造一種納米顆粒，可以用來永久性地特異性地編輯成年動(dòng)物肝臟中的DNA。”麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(IMES)的成員。

本研究中靶向的一種基因，即Pcsk9，可調(diào)節(jié)膽固醇水平。該基因的人類版本中的突變與稱為顯性家族性高膽固醇血癥的罕見疾病相關(guān)，并且FDA最近批準(zhǔn)了兩種抑制Pcsk9的抗體藥物。然而，這些抗體需要定期服用，并且在患者的其余時(shí)間內(nèi)，需要提供治療。麻省理工學(xué)院的研究小組表示，這種新的納米顆粒可以在一次治療后永久性地編輯基因，該技術(shù)也為治療其他肝臟疾病提供了希望。

安德森是這項(xiàng)研究的高級(jí)作者，該研究出現(xiàn)在11月13日出版的“自然生物技術(shù)”雜志上。該論文的第一作者是科赫研究所的研究科學(xué)家郝寅。其他作者包括麻省理工學(xué)院David H. Koch研究所教授R??obert Langer，Skolkovo科學(xué)技術(shù)研究所的Victor Koteliansky教授和Timofei Zatsepin教授，以及馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Wen Xue教授。

針對(duì)疾病

許多科學(xué)家正在嘗試開發(fā)安全有效的方法來提供CRISPR所需的組分，其中包括一種叫做Cas9的DNA切割酶和一種將酶引導(dǎo)到基因組特定區(qū)域的短RNA，指導(dǎo)Cas9在哪里制造它切。

在大多數(shù)情況下，研究人員依靠病毒攜帶Cas9的基因以及RNA引導(dǎo)鏈。2014年，Anderson，Yin和他們的同事開發(fā)了一種非病毒傳遞系統(tǒng)，這是首次用成人動(dòng)物用CRISPR治療疾病(肝臟疾病酪氨酸血癥)的示范。然而，這種類型的輸送需要高壓注射，這種方法也可能對(duì)肝臟造成一些損害。

后來，研究人員表明，通過將編碼Cas9的信使RNA(mRNA)包裝成納米顆粒而不是病毒，他們可以在沒有高壓注射的情況下提供組分。使用這種方法，其中指導(dǎo)RNA仍由病毒傳遞，研究人員能夠編輯約6%的肝細(xì)胞中的靶基因，這足以治療酪氨酸血癥。

安德森說，雖然這種傳遞技術(shù)有希望，但在某些情況下，擁有完全非病毒傳遞系統(tǒng)會(huì)更好。一個(gè)考慮因素是，一旦使用特定病毒，患者就會(huì)產(chǎn)生抗體，因此不能再次使用。此外，一些患者已經(jīng)預(yù)先存在針對(duì)被測試的病毒的抗體作為CRISPR遞送載體。

在新的Nature Biotechnology論文中，研究人員提出了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用納米顆粒提供Cas9和RNA指導(dǎo)，無需病毒。為了提供指導(dǎo)RNA，他們首先必須對(duì)RNA進(jìn)行化學(xué)修飾，以保護(hù)它免受體內(nèi)通常會(huì)在到達(dá)目的地之前將其分解的酶的影響。

研究人員分析了Cas9和RNA指南(sgRNA)形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，以確定指導(dǎo)RNA鏈的哪些部分可以進(jìn)行化學(xué)修飾而不會(huì)干擾兩個(gè)分子的結(jié)合?；诖朔治觯麄儎?chuàng)建并測試了許多可能的修改組合。

“我們使用Cas9和sgRNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)作為指導(dǎo)，并進(jìn)行了測試，以確定我們可以修改多達(dá)70%的指導(dǎo)RNA，”Yin說。“我們可以大量修改它，不會(huì)影響sgRNA和Cas9的結(jié)合，這種增強(qiáng)的修飾確實(shí)增強(qiáng)了活性。”

重新編程肝臟

研究人員將這些經(jīng)過修飾的RNA指南(他們稱之為增強(qiáng)的sgRNA)打包成脂質(zhì)納米顆粒，這些脂質(zhì)納米顆粒以前用于向肝臟輸送其他類型的RNA，并將其與含有編碼Cas9的mRNA的納米顆粒一起注射到小鼠體內(nèi)。

他們嘗試敲除肝細(xì)胞表達(dá)的一些不同基因，但將大部分注意力集中在膽固醇調(diào)節(jié)的Pcsk9基因上。研究人員能夠在超過80%的肝細(xì)胞中消除這種基因，并且在這些小鼠中檢測不到Pcsk9蛋白。他們還發(fā)現(xiàn)治療小鼠的總膽固醇水平下降了35%。

研究人員正在研究可能從這種方法中獲益的其他肝臟疾病，并推進(jìn)這些方法用于患者。

“我認(rèn)為擁有一種可以特異性轉(zhuǎn)變基因的全合成納米粒子，不僅可以成為Pcsk9的強(qiáng)大工具，也可以成為其他疾病的強(qiáng)大工具，”安德森說。“肝臟是一個(gè)非常重要的器官，也是疾病對(duì)許多人的來源。如果你可以改編你的DNA肝臟，而你還在使用它，我們認(rèn)為有許多疾病是可以得到解決。”

“我們非常高興看到這種納米技術(shù)的新應(yīng)用開辟了基因編輯的新途徑，”Langer補(bǔ)充道。