携带CRISPR的纳米颗粒编辑基因组

在一项新的研究中，麻省理工学院的研究人员开发出了可以提供CRISPR基因组编辑系统并特异性修饰小鼠基因的纳米颗粒。该团队使用纳米粒子来携带CRISPR组件，无需使用病毒进行传递。利用新的传递技术，研究人员能够在大约80%的肝细胞中切除某些基因，这是CRISPR在成年动物中取得的最佳成功率。

麻省理工学院化学工程系副教授丹尼尔安德森说：“这里真正令人兴奋的是，我们已经证明你可以制造一种纳米颗粒，可以用来永久性地特异性地编辑成年动物肝脏中的DNA。”麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所(IMES)的成员。

本研究中靶向的一种基因，即Pcsk9，可调节胆固醇水平。该基因的人类版本中的突变与称为显性家族性高胆固醇血症的罕见疾病相关，并且FDA最近批准了两种抑制Pcsk9的抗体药物。然而，这些抗体需要定期服用，并且在患者的整个生命中，需要提供治疗。麻省理工学院的研究小组表示，新的纳米粒子在一次治疗后会永久性地编辑基因，这项技术也为治疗其他肝脏疾病提供了希望。

安德森是这项研究的高级作者，该研究出现在11月13日出版的“ 自然生物技术 ” 杂志上。该论文的主要作者是科赫研究所的研究科学家郝寅。其他作者包括麻省理工学院David H. Koch研究所教授R​​obert Langer，Skolkovo科学技术研究所的Victor Koteliansky教授和Timofei Zatsepin教授，以及马萨诸塞大学医学院的Wen Xue教授。

针对疾病

许多科学家正在尝试开发安全有效的方法来提供CRISPR所需的组分，其中包括一种叫做Cas9的DNA切割酶和一种将酶引导到基因组特定区域的短RNA，指导Cas9在哪里制造它切。

在大多数情况下，研究人员依靠病毒携带Cas9的基因以及RNA引导链。2014年，Anderson，Yin和他们的同事开发了一种非病毒传递系统，这是首次用成人动物中的CRISPR治疗疾病(肝脏疾病酪氨酸血症)的示范。然而，这种类型的递送需要高压注射，这种方法也可能对肝脏造成一些损害。后来，研究人员表明，通过将编码Cas9的信使RNA(mRNA)包装成纳米颗粒而不是病毒，他们可以在没有高压注射的情况下提供组分。使用这种方法，其中指导RNA仍由病毒传递，研究人员能够编辑约6%的肝细胞中的靶基因，这足以治疗酪氨酸血症。

安德森说，虽然这种传递技术有希望，但在某些情况下，拥有完全非病毒传递系统会更好。一个考虑因素是，一旦使用特定病毒，患者就会产生抗体，因此不能再次使用。此外，一些患者已经预先存在针对被测试的病毒的抗体作为CRISPR递送载体。

在新的Nature Biotechnology论文中，研究人员提出了一种系统，该系统使用纳米粒子提供Cas9和RNA指导，无需病毒。为了提供指导RNA，他们首先必须对RNA进行化学修饰，以保护它免受体内通常会在到达目的地之前将其分解的酶的影响。

研究人员分析了Cas9和RNA指南(sgRNA)形成的复合物的结构，以确定指导RNA链的哪些部分可以进行化学修饰而不会干扰两个分子的结合。基于此分析，他们创建并测试了许多可能的修改组合。“我们使用Cas9和sgRNA复合物的结构作为指导，并进行了测试，以确定我们可以修改多达70%的指导RNA，”Yin说。“我们可以大量修改它，不会影响sgRNA和Cas9的结合，这种增强的修饰确实增强了活性。”

重新编程肝脏

研究人员将这些经过修饰的RNA指南(他们称之为增强的sgRNA)打包成脂质纳米颗粒，这些脂质纳米颗粒曾用于向肝脏输送其他类型的RNA，并将其与含有编码Cas9的mRNA的纳米颗粒一起注射到小鼠体内。

他们尝试敲除肝细胞表达的一些不同基因，但将大部分注意力集中在胆固醇调节的Pcsk9基因上。研究人员能够在超过80%的肝细胞中消除这种基因，并且在这些小鼠中检测不到Pcsk9蛋白。他们还发现治疗小鼠的总胆固醇水平下降了35%。

研究人员正在研究可能从这种方法中获益的其他肝脏疾病，并推进这些方法用于患者。“我认为拥有可以特异性转变基因的全合成纳米粒子可能不仅是Pcsk9的强大工具，也是其他疾病的强大工具，”安德森说。“肝脏是一个非常重要的器官，也是许多人的疾病来源。如果你在使用它的同时可以重新编程肝脏的DNA ，我们认为有许多疾病可以解决。”“我们非常高兴看到这种纳米技术的新应用开辟了基因编辑的新途径，”Langer补充道。