Nat Nanotechnol | 納米顆粒實現器官特異性基因編輯!

發布時間:2020-04-14 11:33     文章來源:未知     作者:百替生物

含遺傳藥物的脂質納米顆粒(LNP)可以通過生物工程調整其生物分布,誘導器官特異性基因調控。該技術使一種小干擾siRNA (siRNA)藥物的臨床轉化和首次獲得美國食品和藥物管理局(FDA)的批準成為可能。該納米藥物是為治療遺傳性疾病轉胸腺視蛋白介導的淀粉樣變性引起的多神經病而開發的,它依賴于高效的lnp介導的siRNA在靜脈滴注后傳遞到肝細胞,從而抑制病理蛋白的產生。
LNP系統還允許信使RNA (mRNA)的包封,以誘導治療性蛋白的產生,并允許基因編輯復合物全身給藥后糾正肝細胞中的致病突變。然而,在肝臟以外的組織和器官中實現治療相關的基因調控仍是一個未解之謎。
近日,一項發表在《Nature Nanotechnology》的來德克薩斯大學達拉斯西南醫學中心Qiang Cheng等人提出了一種通過生物工程將含有核酸療法的LNPs誘導肝臟、脾臟和肺特異性基因調控選擇性器官靶向(SORT)方法

圖片來源:Nature Nanotechnology
LNP系統通常由磷脂、膽固醇、聚乙二醇(PEG)脂質和可電離的陽離子脂質組成。每個LNP成分及其摩爾比都已被優化,以確保高效的核酸遞送到肝細胞。特別是,合理設計和篩選可電離的陽離子脂質(或類脂質)文庫對于實現臨床應用相關劑量的肝基因沉默至關重要。最有效的電離陽離子脂質,其特征是明顯的pKa值在6.2和6.5之間,具有三種功能:(1)在LNP生產期間,酸性pH值下質子化的叔胺脂質頭部促進其與帶負電荷的核酸結合,(2)在生理的pH值,附近無電荷的脂質確保凈中性表面電荷,以減少免疫反應和循環時間延長和(3)細胞攝取后進入酸化的內體中,正電荷脂質促進膜融合和有效的胞質遞送。
在這種SORT方法中,研究者添加五分之一脂質成分來通過靜脈注射遞送功能信使核糖核酸或基因編輯復合物道特定組織。使用一個快速的混合過程,這種SORT脂質 (永久的陽離子和陰離子或可質子化的陽離子)和不同摩爾比的其他材料生成一個脂質體文庫,包載mRNA編碼熒光素酶進行體內篩選。通過增加永久性陽離子脂質1,2-二烯烴-3-三甲氨基丙烷(DOTAP)的摩爾百分比(0-100%),可使熒光素酶的表達在靜脈注射后從肝臟轉移到脾臟和肺。LNPs中加入10-40%的永久性陰離子脂質1,2-二烯醇化酶-sn-甘油-3-磷酸(18PA)可在脾臟中特異性表達熒光素酶。加入20%的其他可電離的陽離子脂類,如1,2-二烯酰-3-二甲基氨基甲烷-丙烷(DODAP),不會改變生物分布,但增加了mRNA對肝臟的遞送。該方法的普遍性通過將LNP與其他永久性帶電或可電離的陽離子脂類功能化而得到證實,這導致了器官表達的類似變化,且表現出與脂類相關的方式。值得注意的是,SORT-LNP的療效離不開可電離的陽離子脂質包合。給予肺、脾臟和肝臟特異性mRNA SORT-LNP的篩選結果表明,基于熒光素酶的篩選可產生持續的治療性蛋白,且無明顯毒性。重要的是,SORT方法還允許調節LNPs組織特異性熒光素酶的表達,使其與臨床批準的Onpattro配方相同。
Cheng等人也報道了使用SORT-LNPs進行組織特異性CRISPR/Cas基因編輯。相對于治療性基因沉默或表達,基于CRISPR/Cas的基因編輯需要(至少)兩個組成部分:引導RNA (guide RNA, gRNA)識別目標DNA和Cas核酸酶進行雙鏈斷裂。作者生成了包含gRNA和Cas9 mRNA或gRNA/Cas9核糖核酸蛋白復合物的SORT-LNPs,并在肝外組織中進行了基因編輯。在紅色熒光蛋白tdTomato報告小鼠中,不同種類的LNP劑型可選擇性誘導肝、肺、脾特異性基因編輯。此外,作者還展示了內源性靶基因(PTEN)和治療性靶基因(PCSK9)的組織特異性編輯。

圖片來源:Nature Nanotechnology
Cheng等人的研究的主要創新點是在復雜的報告模型中采用了系統的LNP篩選方法。Sago等人報道了一種類似的方法,稱為納米顆粒傳遞的快速識別(FIND)。他們的策略包括篩選數百個LNPs,以確定使用合理設計的DNA條形碼將功能性mRNA(和其他RNA療法)遞送到各種組織的有效配方。
LNP技術可以直接在特定組織(和細胞)中實現治療性基因調控的前提是令人興奮的,因為它可能會使器官特異性基因治療成為可能,用于治療囊性纖維化(肺)、淋巴瘤(脾)或免疫紊亂。雖然作者推測了明顯的pKa值改變和獨特的蛋白冠,但需要精確的機制研究來揭示SORT修飾如何將LNPs重定向到特定的組織。根據這一思路,先前有報道稱調節mRNA脂質復合物的凈電荷可以調控組織特異性抗原提呈細胞的熒光素酶表達。系統給藥后,陽性mRNA脂質復合物主要在肺組織中表達,而降低陽離子脂質含量則使其表達轉移至脾。進一步研究LNP的器官和組織特異性使得進一步微調成為可能。然而,可能的免疫原性和輸液相關的影響需要深入研究,然后才能實現SORT方法,以合理設計用于治療性基因修飾肝臟以外器官的LNP轉化配方。

參考文獻:

1. Cheng, Q. et al. Selective organ targeting (SORT) nanoparticles for tissue-specific mRNA delivery and CRISPR-Cas gene editing. Nat. Nanotechnol. 2020.

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