被稱為CRISPR的基因組編輯技術(shù)允許科學家剪切特定的DNA序列并將其替換為新序列，從而有可能治愈由缺陷基因引起的疾病。然而，為了實現(xiàn)這一潛力，科學家必須找到一種方法來安全地將CRISPR機制和DNA的校正拷貝遞送到患病細胞中。

麻省理工學院的研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種比以前更有效地提供CRISPR基因組修復組件的方法，他們也相信它可能對人類使用更安全。在對小鼠的一項研究中，他們發(fā)現(xiàn)他們可以糾正導致罕見肝臟疾病的突變基因，占6%的肝細胞 -足以治愈這種疾病的老鼠，即所謂的酪氨酸血癥。

“這一發(fā)現(xiàn)確實令我們興奮，因為它讓我們認為這是一種基因修復系統(tǒng)，可用于治療一系列疾病 - 不僅僅是酪氨酸血癥，還有其他疾病，”麻省理工學院化學工程系副教授Daniel Anderson說。和麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學工程與科學研究所(IMES)的成員。安德森是2月1日出版的“ 自然生物技術(shù) ” 雜志上一篇論文的高級作者之一。馬雪，馬薩諸塞大學醫(yī)學院分子醫(yī)學助理教授，也是資深作者。該論文的第一作者是科赫研究所的研究科學家郝寅。

查找和替換

CRISPR系統(tǒng)依賴于細菌用于保護自身免受病毒感染的細胞機制。研究人員之前已經(jīng)利用這個系統(tǒng)來創(chuàng)建基因編輯復合物，該復合物由稱為Cas9的DNA切割酶和短RNA組成，該酶將酶引導至基因組的特定區(qū)域，指導Cas9在哪里進行切割。

當Cas9和靶向疾病基因的短指導RNA被遞送到細胞中時，在基因組中進行特異性切割，并且細胞的DNA修復過程將切割粘合在一起，通常刪除一小部分基因組。然而，如果在切割時也傳遞了基因的校正拷貝，則DNA修復可以導致疾病基因的校正，從而永久地修復基因組。

2014年，Anderson及其同事描述了首次使用CRISPR修復成年動物的疾病基因。在那項研究中，他們能夠治愈小鼠的酪氨酸血癥。然而，遺傳組分的遞送需要高壓注射，這種方法也可能對肝臟造成一些損害。

“這是使用CRISPR / Cas9在成年動物中進行基因修復的首次證明，”安德森說。“我們對這次演示感到非常興奮，但我想找到一種方法來開發(fā)一種更安全，更有效的修復機械藥物形式。”研究人員還希望提高替換缺陷基因的細胞百分比。在之前的研究中，大約每250個肝細胞中就有一個被修復，這足以成功治療酪氨酸血癥。然而，對于許多其他疾病，需要更高百分比的修復來提供治療效果。

在這項新研究中，Anderson及其同事開發(fā)了納米粒子和病毒傳遞系統(tǒng)，以提供CRISPR修復機制。首先，他們從脂質(zhì)和編碼Cas9酶的信使RNA(mRNA)中創(chuàng)建了納米粒子。另外兩個組分--RNA引導鏈和校正基因的DNA - 嵌入基于腺相關(guān)病毒(AAV)的重編程病毒顆粒中。

研究人員首先在脂質(zhì)納米顆粒前一周注射病毒，讓肝細胞有時間開始產(chǎn)生RNA引導鏈和DNA模板。當注射攜帶Cas9 mRNA鏈的納米顆粒時，細胞開始產(chǎn)生Cas9蛋白，但僅僅幾天，因為mRNA最終降解。這足以進行基因修復，但可防止cas9在細胞中徘徊并可能破壞細胞基因組的其他部分。“有一些擔心，如果你的細胞長時間存在Cas9，可能會導致一些基因組不穩(wěn)定，”安德森說。“我們認為使用mRNA納米粒子可以確保酶長時間不存在，從而提供額外的安全性。”

高精確度

使用這種方法，大約十分之一的細胞具有基因校正，比2014年的研究提高了15倍。研究人員還發(fā)現(xiàn)，與Cas9基因整合到細胞基因組中的方法相比，這種方法產(chǎn)生的脫靶DNA切割更少。“我們進行了基因組規(guī)模分析，我們的目標效應(yīng)非常高，但幾乎沒有脫靶效應(yīng)，”Yin說。

安德森的實驗室開發(fā)了類似的脂質(zhì)納米粒子，目前正在臨床開發(fā)中。AAV病毒顆粒正在進行臨床試驗以用于其他目的，使得研究人員樂觀地認為這種CRISPR遞送方法可用于人類，盡管需要更多的研究。

研究人員申請了這項技術(shù)的專利，他們認為這些專利可用于治療多種疾病，尤其是肝臟疾病。“有一系列代謝疾病和其他肝臟疾病，如果你修復突變基因，你可能真的能夠?qū)θ祟惤】诞a(chǎn)生影響，”安德森說。“看到我們的團隊為CRISPR開發(fā)這種新的交付方法真的很令人興奮，我相信這有可能產(chǎn)生深遠影響，”麻省理工學院David H. Koch研究所教授，該論文作者羅伯特蘭格說。