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“纳米颗粒+CRISPR”双剑合璧!徐乔秉/张锋实现高效、持久降低胆固醇水平

生物世界

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(图片来源:摄图网)

作者|nagisha  来源|生物世界(ID:ibioworld)

CRISPR基因编辑技术的迅速发展正在潜移默化地改变着生命科学研究领域乃至人类世界。目前,CRISPR技术已经广泛应用于基因编辑、基因治疗、核酸定位及核酸检测等领域。2020年10月7日,两位在CRISPR基因编辑领域做出杰出贡献的科学家—— Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 更是被授予了2020年诺贝尔化学奖。

近年来,CRISPR基因编辑技术也被用来靶向特定的基因,例如肿瘤生存基因、病毒受体基因或遗传病基因,从而在基因层面上将这些疾病永久清除。但遗憾的是,在个体水平上,CRISPR-Cas9系统难以有效递送到病患部位,因此,其编辑效率往往较低。

近日,美国塔夫茨大学徐乔秉、哈佛-麻省理工学院博德研究所张锋等开发了一种新型脂质纳米颗粒(LNP)——306-O12B LNP,可以将CRISPR基因编辑系统打包并递送到肝脏中。

这项在小鼠身上进行的研究表明,使用LNP技术包装CRISPR-Cas9-mRNA,并将其递送入小鼠肝脏,从而删除一个名为Angptl3的基因。该策略使的小鼠的血液胆固醇水平降低了57%,并且单次注射的效果可持续几个月。

该研究以:Lipid nanoparticle-mediated codelivery of Cas9 mRNA and single-guide RNA achieves liver-specific in vivo genome editing of Angptl3 为题,发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

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美国疾病控制与预防中心的数据显示,美国有超过2900万人受到高胆固醇问题的影响。然而,由于高胆固醇与多种基因以及营养和生活方式相关,因此这种情况很复杂且不容易治疗。

其中,一种治疗策略是识别人类自然存在的单一基因突变,这些基因突变可以保护携带者免受高脂血症的侵害。通过引入这些保护性基因位点,我们有可能开发出一种对许多患者有效的单一治疗方法,而无需考虑他们特定的遗传背景。

对此,CRISPR基因编辑技术显然可以胜任这一要求。然而,改变人体基因必需建立在安全有效的前提下,并且是针对需要治疗的基因、组织和器官。因此,为了促进mRNA介导的CRISPR技术的临床应用,这需要配合具有极佳安全性、高特异性和有效性的递送系统,而脂质纳米颗粒(LNP)技术正是最佳的选择之一。

在此项研究中,研究人员报告了一种特制的脂质纳米颗粒——306-O12B LNP,这种LNP可以打包并将CRISPR基因编辑组件专门输送到肝脏,其递送效率可高达90%。通过这一“LNP+CRISPR”的联合策略,研究人员靶向敲出了小鼠肝脏中的血管生成素3 (Angptl3)的编码基因。

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本研究的模式图

Angptl3基因编码的酶可以抑制其他有助于分解胆固醇的酶,如脂肪酶的活性。有趣的是,在人群中,一些幸运的人具有Angptl3基因的自然突变,导致血液中甘油三酯和低密度脂蛋白(LDL)胆固醇水平较低——这些胆固醇通常被认为是“坏”胆固醇,而且Angptl3突变没有任何已知的临床副作用。

不仅如此,最近的遗传学和药理学研究证实了这一发现,并指出Angptl3基因敲低可能带来一些保护作用,这使得Angptl3成为治疗人类脂蛋白代谢紊乱的一个有吸引力的治疗靶点。

对此,本研究的通讯作者徐乔秉教授表示:“敲除Angptl3基因将有效地让脂肪酶发挥作用并降低血液中的胆固醇水平,而我们只需要确保把CIRSPR基因编辑系统包装并特异性送到肝脏,以免产生不想要的副作用。”

研究人员给实验小鼠注射了306-O12B LNP之后,小鼠的LDL胆固醇显著降低57%,甘油三酯水平降低约29%。相比之下,现有的、FDA批准的载有CRISPR mRNA的LNP在小鼠实验中最多只能降低15.7%的LDL胆固醇和16.3%的甘油三酯。

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实验小鼠注射了306-O12B LNP之后,血液中LDL胆固醇和甘油三酯水平显著降低

更令人鼓舞的是,在单次注射治疗之后,实验小鼠可以保持100天以上的低水平LDL胆固醇和甘油三酯。研究人员推测,这种影响可能会持续更长的时间,并且根据肝脏细胞的更新换代速度,这种情况也许会持续大约一年。

除此之外,LDL胆固醇和甘油三酯的降低幅度也与306-O12B LNP的注射剂量有关,因此可以通过在一次注射中注射更少或更多的LNPs来调节它们的水平。

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LDL胆固醇和甘油三酯的降低幅度也与306-O12B LNP的注射剂量有关

实际上,早在2020年7月,徐乔秉教授领导的研究团队就在 Sciecne Advances 杂志上发表题为:Neurotransmitter-derived lipidoids (NT-lipidoids) for enhanced brain delivery through intravenous injection 的研究论文【2】。

该研究展示了一种简单有效的方法,即使用源自神经递质(NT)的合成脂质突破血脑屏障将货物递送至大脑,并成功将实现了三种不同物质(小分子、核酸和蛋白质)的脑部递送。

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总而言之,这项发表在PNAS杂志上的研究证实了这种新型脂质纳米颗粒——306-O12B LNP是一种高效、安全的非病毒传递平台,并可用于临床相关的肝脏特异性CRISPR-Cas9基因编辑。更重要的是,这一研究成果将进一步推动CRISPR基因组编辑系统在临床中的应用。

参考资料:

1. https://www.pnas.org/content/118/10/e2020401118

2. https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eabb4429.full

3. https://www.genengnews.com/news/lnp-delivers-crispr-directly-to-mouse-liver-dramatically-cuts-cholesterol-levels-for-months/

编者按:本文转载自微信公众号:生物世界(ID:ibioworld),作者:nagisha


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