將基因編輯蛋白高效率遞送到動(dòng)物模型細(xì)胞中并顯示治療效果方法最新研究信息

發(fā)布時(shí)間：

2022-01-18

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，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)布羅德研究所、加州大學(xué)歐文分校和賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)出一種可以將基因編輯蛋白以足夠高的效率遞送到動(dòng)物模型的細(xì)胞中并顯示治療效果的方法

　　基因編輯方法有望治療一系列的疾病，但事實(shí)證明，將用于基因編輯的試劑安全有效地遞送到動(dòng)物模型和人類細(xì)胞中充滿挑戰(zhàn)。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)布羅德研究所、加州大學(xué)歐文分校和賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)出一種可以將基因編輯蛋白以足夠高的效率遞送到動(dòng)物模型的細(xì)胞中并顯示治療效果的方法。相關(guān)研究結(jié)果于2022年1月11日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Engineered virus-like particles for efficient in vivo delivery of therapeutic proteins”。
　　在這項(xiàng)新的研究中，這些作者展示了他們?nèi)绾问褂酶脑斓牟《緲宇w粒（engineered virus-like particle, eVLP）來遞送堿基編輯器--在DNA中實(shí)現(xiàn)可編程的單堿基變化的蛋白---以及CRISPR-Cas9核酸酶，即一種在基因組中的目標(biāo)位點(diǎn)切割DNA的蛋白。他們利用他們開發(fā)的eVLP讓小鼠體內(nèi)可能與高膽固醇水平有關(guān)的基因失效，并部分恢復(fù)了攜帶導(dǎo)致遺傳性失明的基因突變的小鼠的視覺功能。
　　科學(xué)家們長(zhǎng)期以來一直在研究病毒樣顆粒（VLP）作為潛在的藥物遞送載體。VLP是由攜帶分子貨物的病毒蛋白組成的小型結(jié)構(gòu)，但不包含病毒的遺傳物質(zhì)，也不會(huì)引起感染。由于VLP缺乏病毒的遺傳物質(zhì)，它們可能比其他使用實(shí)際病毒的遞送方法更安全，因?yàn)椴《究赡軐⑵溥z傳物質(zhì)插入細(xì)胞的基因組中并可能導(dǎo)致癌癥。
　　這些作者確定了VLP的幾個(gè)限制其遞送效率的特性，并對(duì)這種顆粒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造以克服這些瓶頸。他們說，由此產(chǎn)生的eVLP是首個(gè)向成年動(dòng)物的多種組織遞送治療性基因編輯蛋白的VLP。

　　圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.021。
　　在這項(xiàng)新的研究中，當(dāng)利用eVLP將基因編輯復(fù)合物作為蛋白遞送時(shí)，這些作者沒有檢測(cè)到任何脫靶編輯，但當(dāng)基因編輯器作為DNA遞送時(shí)卻檢測(cè)到了。他們的觀察結(jié)果證實(shí)了之前的研究顯示使用蛋白形式的基因編輯試劑的好處，并表明eVLP可以安全地傳遞它們。他們補(bǔ)充說，他們開發(fā)的eVLP有可能不僅用于基因編輯，還可用于遞送其他的治療性蛋白。
　　論文通訊作者、布羅德研究所默金醫(yī)療改革技術(shù)研究所主任David Liu教授說，“盡管體內(nèi)遞送是一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，但是它是未來基因編輯發(fā)揮主要作用的一個(gè)至關(guān)重要的方面。”
　　Liu說，“VLP一直是最有吸引力的遞送技術(shù)之一，但一直受到體內(nèi)蛋白遞送效率低下的困擾。通過合理地開發(fā)分子解決方案來解決VLP遞送過程中的具體挑戰(zhàn)，我們開發(fā)了eVLP，它可極大地增加了在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中的遞送效力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)物中的高效遞送。”
　　遞送瓶頸
　　幾十年來，VLP一直受到科學(xué)家們的關(guān)注，因?yàn)樗男袨榕c病毒相似，可以進(jìn)入細(xì)胞并遞送貨物，如治療性蛋白。人們可以通過使用VLP表面上的不同分子來影響它們?cè)隗w內(nèi)的最終目的地，比如肝臟或神經(jīng)元。
　　為了利用這些特性并改遞送效率，Liu及其研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地改造了VLP架構(gòu)的不同部分，以優(yōu)化幾個(gè)關(guān)鍵步驟---VLP的產(chǎn)生，貨物如何被包裝到VLP中，以及貨物如何在細(xì)胞內(nèi)釋放和分布。
　　他們最終版本的eVLP包裝的貨物蛋白比他們以前設(shè)計(jì)的VLP多16倍，并且能夠?qū)⒓?xì)胞和動(dòng)物中的編輯效率提高了8至26倍。正如他們所假設(shè)的那樣，他們幾乎沒有看到在不希望的位點(diǎn)進(jìn)行編輯的證據(jù)，也沒有看到病毒DNA被整入用eVLP處理的細(xì)胞的基因組中。
　　論文共同第一作者、Liu實(shí)驗(yàn)室博士生Aditya Raguram說，“由于eVLP提供了強(qiáng)大的靶向編輯，并將非靶向編輯降至最低，我們希望它將作為一種更安全的方法，在體內(nèi)遞送基因編輯試劑。”
　　eVLP在起作用
　　這些作者使用他們優(yōu)化的eVLP系統(tǒng)來校正一系列小鼠和人類細(xì)胞中的突變，在某些情況下觀察到95%的編輯效率。
　　這些作者隨后使用eVLP將堿基編輯器遞送到小鼠的肝臟中，在那里他們有效地編輯了Pcsk9基因，其中這個(gè)基因一旦發(fā)生突變，就能大幅降低血液中的“壞”膽固醇水平，從而降低心臟病風(fēng)險(xiǎn)。他們發(fā)現(xiàn)單次注射經(jīng)編程后引發(fā)Pcsk9基因突變的eVLP就能使Pcsk9的平均編輯率達(dá)到63%，Pcsk9蛋白水平下降78%。他們說，他們預(yù)計(jì)這些結(jié)果將大大降低個(gè)人患冠心病的風(fēng)險(xiǎn)。
　　這些作者還利用單次注射eVLP來恢復(fù)攜帶失明突變的小鼠的視覺功能。他們校正了Rpe65基因的突變，所實(shí)現(xiàn)的編輯效率與其他堿基編輯遞送技術(shù)相當(dāng)，但脫靶編輯和病毒DNA整合的風(fēng)險(xiǎn)較小。
　　這些作者還將eVLP直接注射到小鼠的大腦中，觀察到暴露在eVLP下的細(xì)胞可實(shí)現(xiàn)大約50%的編輯效率。未來的研究工作將集中在改善eVLP在整個(gè)大腦中的分布，但是這些結(jié)果表明有望向極其難以靶向的器官遞送基因編輯試劑。
　　論文共同第一作者、Liu實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Samagya Banskota說，“eVLP結(jié)合了病毒遞送系統(tǒng)和非病毒遞送系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。它也是可編程的，而且相對(duì)容易生產(chǎn)，這使它成為有前途的蛋白遞送工具。我們期待著科學(xué)界采用我們的eVLP，并利用它改善對(duì)患者的治療性大分子遞送。”
　　Liu團(tuán)隊(duì)如今正在擴(kuò)大eVLP在動(dòng)物體內(nèi)可以靶向的器官和細(xì)胞類型的范圍。他們還將繼續(xù)對(duì)eVLP進(jìn)行表征，以更好地預(yù)測(cè)和減輕它們可能產(chǎn)生的任何不需要的免疫反應(yīng)。
　　Liu說，“鑒于我們知道了一些關(guān)鍵的eVLP瓶頸，以及我們?nèi)绾谓鉀Q這些瓶頸，即使我們不得不為不尋常的蛋白貨物開發(fā)新的eVLP，我們很可能可以做得更有效率。”他指出，他們的eVLP研究工作始于2018年初。
　　Liu說，“如今非常需要一種更好的方法，將蛋白遞送到動(dòng)物和患者體內(nèi)的多種組織中。我們希望eVLP不僅可以用于遞送堿基編輯器，還可以用于遞送其他的治療相關(guān)蛋白。”
　　參考資料：
　　Samagya Banskota et al. Engineered virus-like particles for efficient in vivo delivery of therapeutic proteins. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.021.