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科学家使用脂质纳米颗粒将基因编辑精确地靶向肝

已有 2632 次阅读 2021-3-4 20:58 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

科学家使用脂质纳米颗粒将基因编辑精确地靶向肝

诸平

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Lipid nanoparticles carry a gene editing package specifically to the liver in mice, successfully reducing levels of LDL "bad" cholesterol in the blood. Together with earlier studies demonstrating delivery to the brain or T cells, results suggest a future possibility of highly targeted gene editing therapies.

据美国塔夫茨大学Tufts University2021224日(美国东部时间)提供的消息,塔夫茨大学的科学家使用脂质纳米颗粒将基因编辑精确地靶向肝,小鼠中的基因编辑传递方法表明高胆固醇治疗可能是一剂治疗。脂质纳米颗粒具有专门针对小鼠肝脏的基因编辑包,可成功降低血液中低密度脂蛋白胆固醇(LDL "bad" cholesterol )的水平。连同表明向大脑或T细胞递送的早期研究一起,结果表明了高度靶向的基因编辑疗法的未来可能性。

基因组编辑技术CRISPR已经成为一种强大的新工具,可以改变我们治疗疾病的方式。但是,改变细胞遗传学时面临的挑战是如何安全、有效地做到这一点,并专门针对需要治疗的基因、组织和器官。塔夫茨大学,哈佛大学-麻省理工学院布罗德研究所( Broad Institute of Harvard and MIT)的科学家开发出了独特的纳米颗粒,该纳米颗粒由脂质(脂肪分子)组成,可以将基因编辑机制打包并运送到肝脏。相关研究结果于2021224日已经在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)网站上发表——Min Qiu, Zachary Glass, Jinjin Chen, Mary Haas, Xin Jin, Xuewei Zhao, Xuehui Rui, Zhongfeng Ye, Yamin Li, Feng Zhang, Qiaobing Xu. Lipid nanoparticle-mediated codelivery of Cas9 mRNA and single-guide RNA achieves liver-specific in vivo genome editing of Angptl3. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (10): e2020401118. DOI: 10.1073/pnas.2020401118

在此项研究中,研究者表明,他们可以使用脂质纳米颗粒(lipid nanoparticles简称LNP)有效地将CRISPR机制传递给小鼠肝脏。

据疾病控制与预防中心称,高胆固醇问题困扰着超过2900万美国人。该病很复杂,可能源于多个基因以及营养和生活方式的选择,因此不容易治疗。但是,塔夫茨大学和布罗德研究所的研究人员已经修饰了一个基因,如果可以通过基因编辑将其关闭,它可以提供针对胆固醇升高的保护作用。

研究人员专注于该基因的编码血管生成素样3酶(angiopoietin-like 3 enzyme 简称Angptl3)。这种酶会破坏其他有助于分解胆固醇的酶(脂肪酶)的活性。如果研究人员能够敲除Angptl3基因,他们就可以让脂肪酶发挥作用并降低血液中的胆固醇水平。事实证明,一些幸运的人的Angptl3基因具有自然突变,导致血液中甘油三酸酯和低密度脂蛋白(low-density lipoprotein简称LDL)胆固醇水平持续降低,而没有任何已知的临床不利因素。

塔夫茨大学工程学院生物医学工程副教授,也是该研究的通讯作者徐乔秉(Qiaobing Xu音译)说:如果我们能通过敲除其他基因中的angptl3基因来复制这种状况,那么我们就有很好的机会长期安全地解决高胆固醇的问题。”“我们只需要确保将基因编辑包专门提供给肝脏,以免产生不良副作用。

徐乔秉的团队能够在鼠标模型中做到这一点。在单次注射填充了编码CRISPR-Cas9mRNA和靶向Angptl3RNA的脂质纳米颗粒后,他们观察到LDL胆固醇降低了多达57%,甘油三酯水平降低了约29%,这两种情况都仍然存在在降低的水平上至少持续100天。研究人员推测,这种作用可能会持续更长的时间,可能仅受肝脏细胞缓慢转换的限制,而这种转换可能发生在大约一年的时间内。研究人员说,胆固醇和甘油三酸酯的减少是剂量依赖性的,因此可以通过单次注射更少或更多的LNP来调节其水平。

相比之下,根据研究人员的说法,当在小鼠中进行测试时,现有的FDA批准的加载CRISPR mRNALNP品种,最多只能将LDL胆固醇降低15.7%,将甘油三酸酯降低16.3%。

制作更好的LNP的诀窍在于定制成分-聚集在一起形成mRNA周围气泡的分子。LNP由长链脂质组成,长链脂质具有带电荷的或极性的头部,该头部被水吸引,碳链的尾部指向包含有效载荷的气泡中间,并且它们之间具有化学接头。还存在聚乙二醇,是的,甚至一些胆固醇(在脂质膜中具有正常作用,使脂膜减少渗漏),可以更好地保持其含量。

研究人员发现,这些成分的性质和相对比例似乎对将mRNA传递到肝脏具有深远的影响,因此,他们测试了LNPs的头部、尾部、连接物的多种组合,以及它们针对肝细胞能力的所有成分的比率。由于LNP制剂的体外效力很少反映其体内性能,因此,他们直接评估了小鼠的传递特异性和功效,这些小鼠的细胞中有一个报告基因(reporter gene),当基因组编辑发生时,小鼠的报告基因会亮起红色。最终,他们发现了一个加载了CRISPR mRNALNP,它可以照亮小鼠的肝脏,表明它可以特异性,有效地将基因编辑工具带入肝脏以完成其工作。

LNP是在塔夫茨大学早期工作基础上建立的,徐乔秉和他的团队在那里开发了将mRNA传递到细胞中的效率高达90%的LNP。这些纳米颗粒的独特之处在于长脂质链之间存在二硫键。在细胞外部,LNP形成了稳定的球形结构,锁定了其内容物。当它们在细胞内部时,内部环境破坏了二硫键,从而分解了纳米颗粒。然后将内容物快速有效地释放到单元中。通过防止细胞外的损失,LNP在递送其内含物时可以具有更高的产量。

塔夫茨大学徐乔秉实验室的博士后研究员邱敏(Min Qiu音译)说:“CRISPR是利用遗传病因治疗疾病的最强大的治疗工具之一。最近,我们已经看到了第一个通过LNP传递的CRISPR治疗的人类疾病的临床试验,该试验能够系统地编辑人体内的基因。我们在这里开发的LNP平台具有巨大的临床转化潜力。”“我们认为,有了这个LNP平台,我们现在就可以使CRISPR成为一种治疗多种肝脏疾病或病症的实用且安全的方法,徐乔秉实验室的研究生扎卡里·格拉斯(Zachary Glass)说。邱敏和扎卡里·格拉斯是该研究的第一作者。

这项工作得到了由美国NIH共同基金(SCGE)资助的体细胞基因组编辑计划的支持。上述介绍仅供参考,更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。 

Significance

Genome editing technologies enable the permanent repair of disease-causing genetic mutations. However, the application of this technology has been limited by the technical challenge of achieving safe, effective, and specific in vivo delivery of the CRISPR-Cas9 genome editing components. Here, we report the development of a newly identified lipid nanoparticle (LNP) for specific delivery of CRISPR-Cas9 mRNA to the liver. While LNPs have been FDA approved for delivery of siRNA to the liver, here we examine their application for genome editing. When compared head-to-head, our delivery platform significantly outperforms the FDA-approved LNP in the efficient delivery of Cas9 mRNA for knockdown of the Angptl3 gene and subsequent regulation of hypercholesterolemia, while matching the safety and specificity of the approved platform.

Abstract

Loss-of-function mutations in Angiopoietin-like 3 (Angptl3) are associated with lowered blood lipid levels, making Angptl3 an attractive therapeutic target for the treatment of human lipoprotein metabolism disorders. In this study, we developed a lipid nanoparticle delivery platform carrying Cas9 messenger RNA (mRNA) and guide RNA for CRISPR-Cas9–based genome editing of Angptl3 in vivo. This system mediated specific and efficient Angptl3 gene knockdown in the liver of wild-type C57BL/6 mice, resulting in profound reductions in serum ANGPTL3 protein, low density lipoprotein cholesterol, and triglyceride levels. Our delivery platform is significantly more efficient than the FDA-approved MC-3 LNP, the current gold standard. No evidence of off-target mutagenesis was detected at any of the nine top-predicted sites, and no evidence of toxicity was detected in the liver. Importantly, the therapeutic effect of genome editing was stable for at least 100 d after a single dose administration. This study highlights the potential of LNP-mediated delivery as a specific, effective, and safe platform for Cas9-based therapeutics.



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