PNAS:新的纳米粒子提供最佳的基因沉默

【字体: 时间:2014年03月19日 来源:生物通

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  目前,麻省理工学院(MIT)的化学工程师设计了一种新的纳米粒子,能够传递可关闭致病基因的遗传物质片段。与以前任何siRNA传输工具相比,这种粒子能够获得五倍以上的基因沉默有效性。这项研究成果发表在最近的《PNAS》杂志上。

  

生物通报道:目前,麻省理工学院(MIT)的化学工程师设计了一种纳米粒子,能够传递可关闭致病基因的遗传物质片段。而他们的灵感来自于一种微粒,这种微粒可携带胆固醇通过人体。

这种方法被称为RNA干扰(RNA interference ,RNAi),极有希望用于治疗癌症和其它疾病。然而,有研究证明,在传递足够的RNA对病变组织进行治疗时,仍然很难避免对身体其他部位的副作用。

MIT研究人员设计的这种新粒子,在一个脂肪分子和蛋白质球体中包裹有短链RNA。他们在小鼠中发现,这种粒子能够比以往任何一种传递系统更有效地沉默肝脏中的靶基因。

MIT科赫综合癌症研究所成员、化学工程副教授Daniel Anderson指出,令人感到兴奋的是,这种粒子只需要很少量的RNA,就能引起整个肝脏中的基因敲除。其效果特定于肝脏——并没有影响其它组织。

这项研究成果发表在最近的《PNAS》杂志上,Anderson是本文的资深作者,麻省理工学院David H. Koch研究所教授Robert Langer也是作者之一。该研究小组还包括来自Alnylam Pharmaceuticals的科学家。研究人员还发现,这种纳米粒子可以有力地沉默非人灵长类动物的基因。该项技术已经授权给公司用于商业发展。

自然的灵感
RNA干扰是一种自然发生的现象,于1998年被发现,科学家们一直以来都在试图利用它。RNA片段,被称为短的干扰RNA(short interfering RNA ,siRNA),它们通过破坏携带其余细胞DNA指令的mRNA分子,来关闭活细胞内的特定基因。

科学家们希望,通过阻断促进癌细胞行为的突变基因,这种方法可为单基因突变引起的疾病(如亨廷顿氏病或癌症),提供新的治疗方法。然而, RNAi疗法开发很具有挑战性,因为它很难将大量siRNA传送至正确的位置,而不引起其它组织或器官的副作用。延伸阅读:高科技让致病基因“沉默”

Anderson和Langer在以往的研究中指出,他们通过将RNA包裹在脂肪样分子(称为lipidoids)内,可以用小剂量的siRNA阻断多个基因。本文的第一作者、科赫研究所的博士后Yizhou Dong称,在这项研究工作中,他们开始改善这些粒子,使其更加有效、更有选择性和更安全。他说:“我们真的很想开发出未来临床使用的材料,这是我们的最终目标。”

新粒子的设计灵感来自于自然世界,具体来说,就是称为脂蛋白(lipoproteins)的微粒,它能够在体内传送胆固醇和其他脂肪分子。

MIT小组设计的这种新脂肽(lipopeptide)粒子,就像脂蛋白纳米粒子一样为球体状,其外膜由带有一个脂质尾巴(面向粒子)的长链组成。在新粒子中,链的头部面向外,是一种氨基酸。这个球体携带siRNA链,链的周围环绕着更多的脂肽分子。胆固醇分子嵌入到膜和PEG外涂层中,从而有助于结构的稳定。

研究人员通过改变粒子中包含的氨基酸,调整了粒子的化学性质,而化学性质决定着粒子的行为。在多细胞生物中已发现了21种氨基酸,研究人员制备了大约60个脂肽粒子,每个粒子都包含一个不同的氨基酸,与三个化学组——丙烯酸酯(acrylate)、醛(aldehyde)或环氧化物(epoxide)——中的一个相连接。这些化学组也影响粒子的行为。

定向打击
然后,研究人员检测了该粒子关闭一种凝血蛋白(称为Factor VII)基因的能力,这个蛋白由肝脏中的肝细胞(hepatocytes)产生。对血液中Factor VII水平的检测结果揭示出siRNA沉默的有效性。

在最开始,最有效的粒子包含与环氧化物结合的赖氨酸,因此研究人员制备了另外43个相似的纳米粒子,进行进一步的检测。这些化合物中最好的一个,称为cKK-E12,与以前任何siRNA运载工具相比,它能够获得五倍以上的基因沉默有效性。

在另外一个实验中,研究人员传递siRNA来阻断肿瘤抑制基因(其在所有身体组织都能表达)。他们发现,siRNA传递对肝脏非常具有特异性,这能尽量减少脱靶副作用的风险。

Dong表示:“这一点非常重要,因为我们不想所用的材料会沉默人体内的所有靶标。如果我们想要治疗肝病患者,我们只想沉默肝脏中的靶标,而不是其他的细胞类型。”

研究人员在非人灵长类动物的测试中发现,这种粒子能够有效地沉默TTR(transthyretin,运甲状腺素蛋白)基因,这个基因与许多疾病相关,包括老年性全身性淀粉样变性病、家族性淀粉样蛋白多发性神经病和家族性淀粉样蛋白心肌病。

目前,MIT研究小组正在试图了解更多关于该粒子如何运转以及一旦它们被注入会发生什么,以期进一步提高粒子的性能。他们也正在致力于开发能够靶定肝脏之外器官的纳米粒子,这将是更大的挑战,因为肝脏是将外来物质从血液中过滤掉的一个自然目的地。(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Lipopeptide nanoparticles for potent and selective siRNA delivery in rodents and nonhuman primates
Abstract:siRNA therapeutics have promise for the treatment of a wide range of genetic disorders. Motivated by lipoproteins, we report lipopeptide nanoparticles as potent and selective siRNA carriers with a wide therapeutic index. Lead material cKK-E12 showed potent silencing effects in mice (ED50 ∼ 0.002 mg/kg), rats (ED50 < 0.01 mg/kg), and nonhuman primates (over 95% silencing at 0.3 mg/kg). Apolipoprotein E plays a significant role in the potency of cKK-E12 both in vitro and in vivo. cKK-E12 was highly selective toward liver parenchymal cell in vivo, with orders of magnitude lower doses needed to silence in hepatocytes compared with endothelial cells and immune cells in different organs. Toxicity studies showed that cKK-E12 was well tolerated in rats at a dose of 1 mg/kg (over 100-fold higher than the ED50). To our knowledge, this is the most efficacious and selective nonviral siRNA delivery system for gene silencing in hepatocytes reported to date.

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