在一項(xiàng)新的研究中，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了可以提供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)使用納米粒子來(lái)攜帶CRISPR組件，無(wú)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(shuō)：“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(lái)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(lèi)版本中的突變與稱(chēng)為顯性家族性高膽固醇血癥的罕見(jiàn)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，并且在患者的整個(gè)生命中，需要提供治療。麻省理工學(xué)院的研究小組表示，新的納米粒子在一次治療后會(huì)永久性地編輯基因，這項(xiàng)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。該論文的主要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(kāi)發(fā)安全有效的方法來(lái)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(kāi)發(fā)了一種非病毒傳遞系統(tǒng)，這是首次用成人動(dòng)物中的CRISPR治療疾病(肝臟疾病酪氨酸血癥)的示范。然而，這種類(lèi)型的遞送需要高壓注射，這種方法也可能對(duì)肝臟造成一些損害。后來(lái)，研究人員表明，通過(guò)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(méi)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(shuō)，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(cè)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)使用納米粒子提供Cas9和RNA指導(dǎo)，無(wú)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?，他們創(chuàng)建并測(cè)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(cè)試，以確定我們可以修改多達(dá)70%的指導(dǎo)RNA，”Yin說(shuō)。“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(guò)修飾的RNA指南(他們稱(chēng)之為增強(qiáng)的sgRNA)打包成脂質(zhì)納米顆粒，這些脂質(zhì)納米顆粒曾用于向肝臟輸送其他類(lèi)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(guò)80%的肝細(xì)胞中消除這種基因，并且在這些小鼠中檢測(cè)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)為擁有可以特異性轉(zhuǎn)變基因的全合成納米粒子可能不僅是Pcsk9的強(qiáng)大工具，也是其他疾病的強(qiáng)大工具，”安德森說(shuō)。“肝臟是一個(gè)非常重要的器官，也是許多人的疾病來(lái)源。如果你在使用它的同時(shí)可以重新編程肝臟的DNA ，我們認(rèn)為有許多疾病可以解決。”“我們非常高興看到這種納米技術(shù)的新應(yīng)用開(kāi)辟了基因編輯的新途徑，”Langer補(bǔ)充道。