弗雷德哈欽森癌癥研究中心的科學(xué)家們通過簡化基因編輯指令傳遞給細(xì)胞的方式，朝著使基因療法更加實(shí)用的方向邁出了一步。據(jù)Nature Materials報(bào)道，5月27日?qǐng)?bào)道，他們使用金納米粒子代替滅活病毒，安全地在HIV和遺傳性血液病的實(shí)驗(yàn)室模型中提供基因編輯工具。

這是第一次使用載有CRISPR的金納米粒子來編輯稀有但強(qiáng)大的血液干細(xì)胞子集中的基因，這是所有血細(xì)胞的來源。攜帶CRISPR的金納米顆粒導(dǎo)致血液干細(xì)胞中的基因編輯成功，沒有毒性作用。

“由于基因療法通過臨床試驗(yàn)并可供患者使用，我們需要更實(shí)用的方法，”資深作者，F(xiàn)red Hutch臨床研究部助理成員Jennifer Adair博士說，并補(bǔ)充說當(dāng)前的表現(xiàn)方法全世界數(shù)百萬人無法接受基因治療。“我想找到一些更簡單的東西，這種東西會(huì)被動(dòng)地將基因編輯傳遞給血液干細(xì)胞。”

雖然CRISPR使其更快更容易地將基因修飾精確地傳遞給基因組，但它仍然存在挑戰(zhàn)。讓細(xì)胞接受CRISPR基因編輯工具涉及一個(gè)小的電擊，可以破壞甚至殺死細(xì)胞。如果需要精確的基因編輯，那么必須設(shè)計(jì)額外的分子來提供它們，增加了成本和時(shí)間。

金納米粒子是一種很有前途的替代品，因?yàn)檫@些微小球體的表面(大約是食鹽粒度的十億分之一)允許其他分子容易地粘附在它們上并保持粘附。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了金納米粒子以快速穿過細(xì)胞膜，避開細(xì)胞器，尋求破壞它們并直接進(jìn)入細(xì)胞核來編輯基因，”曾與金納米粒子合作的Fred Hutch博士后研究員Reza Shahbazi博士說。藥物和基因傳遞七年。

Shahbazi用純凈的實(shí)驗(yàn)室級(jí)金制成金顆粒，并在一個(gè)小實(shí)驗(yàn)室瓶中作為液體。他將純化的金混合成一種溶液，使各個(gè)金離子形成微小的顆粒，然后研究人員測量它們的大小。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)特定的尺寸--19納米寬 - 是最好的大和粘性足以添加基因編輯材料到顆粒表面，同時(shí)仍然足夠小，細(xì)胞吸收它們。

Fred Hutch團(tuán)隊(duì)收拾金顆粒，添加了這些基因編輯組件(圖表可用)：

一種稱為crRNA的分子指南充當(dāng)遺傳GPS，以顯示CRISPR復(fù)合物在基因組中進(jìn)行切割的位置。

CRISPR核酸酶蛋白，通常被稱為“基因剪刀”，可以切割DNA。最常用的CRISPR核酸酶蛋白是Cas9。但Fred Hutch的研究人員還研究了Cas12a(以前稱為Cpf1)，因?yàn)镃as12a在DNA中交錯(cuò)切割。研究人員希望這可以讓細(xì)胞更有效地修復(fù)切割，同時(shí)將新的遺傳指令嵌入細(xì)胞中。Cas12a優(yōu)于Cas9的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它只需要一個(gè)分子導(dǎo)向，這對(duì)于納米顆粒的空間限制很重要。Cas9需要兩個(gè)分子指南。

有關(guān)進(jìn)行遺傳改變的說明(“ssDNA”)。Fred Hutch團(tuán)隊(duì)選擇了兩種遺傳性遺傳變異，這些變化賦予了對(duì)疾病的保護(hù)：CCR5可以預(yù)防艾滋病病毒，而γ血紅蛋白可以預(yù)防血液疾病，如鐮狀細(xì)胞病和地中海貧血。

聚乙烯亞胺涂層使顆粒表面聚集，使其具有更多正電荷，這使它們更容易被細(xì)胞吸收。這是對(duì)使細(xì)胞采用基因編輯工具的另一種方法的改進(jìn)，稱為電穿孔，其涉及輕微震動(dòng)細(xì)胞以使其打開并允許遺傳指令進(jìn)入。

然后，研究人員在其表面用稱為CD34的蛋白質(zhì)標(biāo)記物分離血液干細(xì)胞。這些CD34陽性細(xì)胞含有產(chǎn)生血液的祖細(xì)胞，產(chǎn)生整個(gè)血液和免疫系統(tǒng)。

這些細(xì)胞每天補(bǔ)充體內(nèi)的血液，使它們成為一次性基因治療的良好候選者，因?yàn)樗鼘⒊掷m(xù)一生，因?yàn)榧?xì)胞會(huì)自我更換。“

資深作者Jennifer Adair博士

在研究人員將細(xì)胞注入小鼠模型后8周，基因編輯效應(yīng)達(dá)到頂峰;注射后22周，編輯的細(xì)胞仍在那里。Fred Hutch的研究人員還在小鼠模型的骨髓，脾臟和胸腺中發(fā)現(xiàn)了編輯細(xì)胞，這表明這些器官中的分裂血細(xì)胞可以進(jìn)行治療，而小鼠不必再次治療。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中觀察人體血液干細(xì)胞，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的全負(fù)荷金納米粒子在加入后6小時(shí)內(nèi)被細(xì)胞自然攝取，并且在24到48小時(shí)內(nèi)他們可以看到發(fā)生基因編輯。他們觀察到Cas12a CRISPR蛋白質(zhì)伴侶比更常用的cas9蛋白質(zhì)伴侶更能為細(xì)胞提供非常精確的遺傳編輯。

我們相信我們有兩種疾病 - 艾滋病毒和血紅蛋白病 - 的良好候選者 - 盡管我們也在評(píng)估其他疾病目標(biāo)，其中小的遺傳變化可以產(chǎn)生重大影響，以及如何進(jìn)行更大的遺傳變化。下一步是增加每個(gè)細(xì)胞中發(fā)生的基因編輯量，這絕對(duì)可行。這將使它更接近成為一種有效的治療方法。“

詹妮弗阿戴爾博士

在這項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說，10%到20%的細(xì)胞接受了基因編輯，這是一個(gè)很有希望的開端，但是研究人員希望將50%或更多的細(xì)胞編入目標(biāo)，他們相信這些細(xì)胞會(huì)有很好的效果。對(duì)抗這些疾病的機(jī)會(huì)。

Adair和Shahbazi正在尋找商業(yè)合作伙伴，將技術(shù)發(fā)展為人們的治療方法。他們希望在幾年內(nèi)開始臨床試驗(yàn)。