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突破基因疗法的递送瓶颈,刘如谦团队最新《细胞》开发新工具

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学术经纬

2022-01-13 07:26

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▎药明康德内容团队编辑

本周,顶尖学术期刊《细胞》在线发表了来自CRISPR领域大牛刘如谦(David Liu)教授团队及其合作者的最新论文。研究人员开发出一种类似病毒的工程化颗粒,可以高效地将基因编辑工具递送到动物体内的细胞中,并且所提供的蛋白可以达到治疗目的。这一新技术有望突破该领域长久以来的瓶颈,更好地实现利用基因编辑方法治疗疾病的前景

“基因编辑要在未来发挥重要作用,体内递送是至关重要的一方面,但事实也再三证明,体内递送是一个挑战。”刘教授指出。

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刘如谦教授(图片来源:Broad研究所;Credit: Casey Atkins Photography)

科学家们为此一直在研究病毒样颗粒(virus-like particles)。病毒样颗粒是病毒蛋白组装而成的小颗粒,可以像病毒一样进入细胞,运送分子货物。在颗粒表面使用不同的分子,就可以递送到不同的目的地。由于病毒样颗粒内没有病毒的遗传物质,不会引起感染,也不会在细胞中插入外来的DNA,因此被认为比用真正病毒作为载体的其他递送方法更安全

尽管病毒样颗粒有其优势,但它们在体内递送蛋白质的效率十分有限,成为在临床治疗上施展身手的瓶颈。

在这项新研究中,刘如谦教授的团队找出了影响病毒样颗粒递送效率的几个特性,然后通过工程化设计改变颗粒结构,优化病毒样颗粒的生产、携带和释放分子货物等步骤,最终克服瓶颈,极大提高了递送能力。

他们介绍,这项研究开发的工程化病毒样颗粒(简称eVLP),是首个能够向成年动物多种组织提供治疗水平的基因编辑蛋白的病毒样颗粒

经过工程化设计和优化,新型eVLP携带的蛋白质货物比过去增多了16倍,使编辑效果提高了8~26倍,在一些细胞实验中达到了95%的编辑效率

▲通过工程化设计分子解决方案解决病毒样颗粒递送蛋白质分子的挑战(图片来源:参考资料 [1])

研究团队在论文中展示了这种eVLP递送基因编辑蛋白质的效果,包括碱基编辑器(可以改变DNA单个碱基的蛋白质)、CRISPR-Cas9核酸酶(可以在基因组特定目标位置切割DNA的蛋白质)。实验结果显示,几乎没有观察到脱靶现象。相比之下,以DNA分子形式递送编辑器时会检测到脱靶——在无需改变的位置进行编辑,因而进一步支持了使用蛋白质形式递送基因编辑器的优势

除了在培养的一系列细胞系和原代细胞中实现高效的基因编辑外,科学家们将eVLP注射到小鼠体内,在大脑、肝脏和视网膜等多个器官中实现了对多种目标基因的编辑。

▲在疾病模型小鼠体内通过单次注射实现高效递送(图片来源:参考资料 [1])

仅需一次注射,在肝脏中,eVLP有效编辑了Pcsk9基因,从而显著降低了血液中对健康不利的胆固醇,这种策略将有望用于降低冠心病的患病风险。在视网膜中,eVLP靶向纠正了Rpe65基因中的突变,部分恢复了遗传性失明小鼠的视觉功能

而在出了名的递送“死角”——大脑中,eVLP在细胞中的编辑效率可达50%左右,显示了令人兴奋的前景。研究人员表示,未来还将继续改善eVLP在整个大脑中的分布

科学家们补充说,这种eVLP不仅可以用于基因编辑,还可以用于递送其他治疗性蛋白质。“eVLP结合了病毒和非病毒递送系统的优势,”该研究的共同第一作者Samagya Banskota博士介绍,“它们也是可编程的,并且相对容易生产,这些特点使它们成为蛋白质递送的潜力工具。我们期待这种eVLP可以被用来改善治疗性大分子的递送,造福患者。”

参考资料:

[1] Samagya Banskota et al., (2022) Engineeredvirus-like particles for efficient in vivo delivery of therapeuticproteins. Cell. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.021

[2] Engineered particles efficientlydeliver gene editing proteins to cells in mice. Retrieved Jan. 12, 2022, from https://www.broadinstitute.org/news/engineered-particles-efficiently-deliver-gene-editing-proteins-cells-mice

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