科学家使用脂质纳米粒子将基因编辑精确定位到肝脏

基因组编辑技术 CRISPR 已成为一种强大的新工具，可以改变我们治疗疾病的方式。然而，改变细胞遗传学的挑战在于如何安全、有效且专门针对需要治疗的基因、组织和器官。塔夫茨大学、哈佛和麻省理工学院布罗德研究所的科学家们开发了由脂质(脂肪分子)组成的独特纳米粒子，可以将基因编辑机器专门打包并传递到肝脏。在今天发表在《科学院院刊》上的一项研究中，他们已经表明，他们可以使用脂质纳米粒子 (LNP) 将 CRISPR 机制有效地传递到小鼠的肝脏中，从而进行特定的基因组编辑并将血液胆固醇水平降低多达 57%——这种降低可以持续只需一次注射即可至少持续数月。

根据疾病控制和预防中心的数据，高胆固醇问题困扰着超过 2900 万人。这种情况很复杂，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。然而，Tufts 和 Broad 的研究人员已经修改了一个基因，如果它可以通过基因编辑关闭，则可以提供对胆固醇升高的保护作用。

研究人员专注于编码血管生成素样 3 酶 (Angptl3) 的基因。这种酶会抑制其他有助于分解胆固醇的酶——脂肪酶——的活性。如果研究人员可以敲除 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 基因发生了自然突变，导致他们的血液中甘油三酯和低密度脂蛋白 (LDL) 胆固醇(通常称为“坏”胆固醇)水平始终较低，而没有任何已知的临床缺点。

“如果我们可以通过敲除其他人的 angptl3 基因来复制这种情况，我们很有可能找到一种安全、长期的高胆固醇解决方案，”塔夫茨工程学院生物医学工程副教授徐乔兵说。该研究的通讯作者。“我们只需要确保我们将基因编辑包专门提供给肝脏，以免产生不必要的副作用。”

徐的团队能够在小鼠模型中做到这一点。在单次注射含有编码 CRISPR-Cas9 的 mRNA 和靶向 Angptl3 的单向导 RNA 的脂质纳米颗粒后，他们观察到 LDL 胆固醇显着降低了 57%，甘油三酯水平降低了约 29%，这两者都保持不变在这些降低的水平上至少保持 100 天。研究人员推测，这种效果可能会持续更长的时间，可能仅受肝脏细胞更新缓慢的限制，这种更新可能会持续一年左右。研究人员说，胆固醇和甘油三酯的降低是剂量依赖性的，因此可以通过单次注射更少或更多的 LNP 来调整它们的水平。

研究人员称，相比之下，现有的、经 FDA 批准的 CRISPR mRNA 加载 LNP 版本在小鼠中进行测试时，最多只能降低 15.7% 的 LDL 胆固醇和 16.3% 的甘油三酯。

制造更好的 LNP 的诀窍在于定制组件——这些分子聚集在一起在 mRNA 周围形成气泡。LNP 由长链脂质组成，长链脂质具有被水吸引的带电或极性头部、指向包含有效载荷的气泡中间的碳链尾部，以及它们之间的化学接头。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，可以减少它们的渗漏 - 以更好地保持其内容物。

研究人员发现，这些成分的性质和相对比例似乎对将 mRNA 输送到肝脏中具有深远的影响，因此他们测试了具有多种头部、尾部、接头和所有成分之间比例组合的 LNP，以确定其靶向肝脏的能力细胞。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递送特异性和功效，这些小鼠的细胞中有一个报告基因，当基因组编辑发生时，该报告基因会亮起红色。最终，他们发现了一个装载 CRISPR mRNA 的 LNP，它只点亮了小鼠的肝脏，表明它可以专门有效地将基因编辑工具传递到肝脏中以完成他们的工作。

LNP 建立在 Tufts 早期工作的基础上，在那里，Xu 和他的团队开发了 LNP，将 mRNA 递送到细胞中的效率高达 90%。这些纳米颗粒的一个独特特征是长脂质链之间存在二硫键。在细胞外，LNPs 形成一个稳定的球形结构，锁定其内容物。当它们在细胞内时，内部环境会破坏二硫键以分解纳米颗粒。然后将内容物快速有效地释放到细胞中。通过防止细胞外的损失，LNP 可以在传递其内容物时获得更高的产量。

“CRISPR 是治疗具有遗传病因的疾病的最强大的治疗工具之一。我们最近看到了第一个通过 LNP 递送实现的 CRISPR 疗法的人类临床试验，该临床试验可以系统地管理以编辑人体内的基因。我们的 LNP在这里开发的平台具有巨大的临床转化潜力，”塔夫茨大学徐博士实验室的博士后研究员 Min Qiu 说。“我们设想有了这个 LNP 平台，我们现在可以使 CRISPR 成为一种实用且安全的方法来治疗广泛的肝脏疾病或紊乱，”徐实验室的研究生 Zachary Glass 说。邱和格拉斯是该研究的共同第一作者。

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