莱斯大学华人科学家报道CRISPR-Cas9治疗镰状细胞病进展

【字体: 时间:2019年06月04日 来源:生物通

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  莱斯大学研究表明,使用CRISPR-Cas9和一个校正的短DNA模板修复患者造血干细胞(HSCs)中的镰状细胞突变是有效和安全的。

  

莱斯大学布朗工程学院的生物工程师Gang Bao与德克萨斯州儿童医院、贝勒医学院和斯坦福大学合作进行了这项研究。Bao和Vivien Sheehan是贝勒医学院的助理教授,也是德克萨斯州儿童血液学中心镰刀细胞项目的成员。

文章发表在开放获取的学术期刊《Nucleic Acids Research》。

痛苦的、往往致命的镰状细胞病影响了大约10万美国人和全世界数百万人。血红蛋白亚单位β(又名β-珠蛋白)的一次突变迫使正常的盘状红细胞变硬并形成特有的镰刀形。这些细胞会破坏血管壁,使小血管凝结,阻止氧气向组织输送。

如今,一些患有这种疾病的人用来自匹配捐赠者的干细胞进行治疗,研究人员说,然而事实上,只有不到15%的患者可以选择这个策略。一个更好的策略是修改病人自己的造血干细胞和祖细胞(HSPCs),理论上适用于每个病人而且不会有排斥风险。

理想情况下,从患者骨髓中分离出干细胞进行基因编辑和测试,同时化疗减少患者体内的干细胞为编辑后注入的细胞腾出空间。Bao说,然后这些被矫正的细胞将被移植回病人体内,在那里它们可以增殖并产生健康的血细胞。

在这项新研究中,Bao和他的团队首次在啮齿类动物身上测试了患者的HSPCs,并证明,基因编辑细胞中的一部分可以存活4个月,并具有功能。

实验用干细胞来自5名患者的外周血和2名患者的骨髓,均由Sheehan提供。Sheehan实验室对编辑后的细胞所产生的血红蛋白类型进行了表征,结果表明,基因编辑可以提供足够的保护性和正常的血红蛋白,即使在严重缺氧的情况下也能阻止镰刀病的发生。

早期使用的野生型Cas9蛋白——以化脓性链球菌的DNA为靶点并切割特定部分的“剪刀”——导致干细胞出现了高水平的意外DNA编辑。这些非目标编辑包括大量染色体缺失和可能导致疾病的反作用。

在第二轮测试中,莱斯大学实验室采用了由集成DNA技术开发的最新“高保真”版本Cas9。Bao说,它能显著减少脱靶编辑。

并非所有从镰刀突变患者身上分离出来的干细胞都能通过基因编辑来加以修整。根据Bao实验室的实验,它最多能修复40%的缺陷,另外50%的细胞,虽然DNA被切断了,但没有被正确的DNA模板修复。尽管如此,这似乎也能促进了干细胞表达胎儿血红蛋白(HbF)。

众所周知,胎儿血红蛋白可以减弱镰状细胞病的影响。Bao怀疑,如果编辑过的细胞中胎儿血红蛋白持续表达,将有90%的患者干细胞或是被正确矫正,或是通过表达胎儿血红蛋白的方式阻止镰刀突变。

Bao说:“我们希望,如果我们从患者骨髓中取出一部分HSPCs,消除体内剩余突变干细胞,然后编辑好HSPCs并将其送回,基因矫正和HbF表达细胞的结合将足以治愈这种疾病。”

他说,大约10%的干细胞继续产生镰状细胞应该不是一个大问题。“好消息是,正常的红细胞寿命是镰刀细胞的9倍。意味着随着时间的推移,大部分红细胞都将替换成正常细胞,也就是我们希望看到的情景。”

研究人员还不知道切割β-珠蛋白以提高胎儿血红蛋白水平是否会带来长期益处,或者是否有可能诱发降低血红蛋白产生的β-地中海贫血。“风险是有的,我们需要更好地理解它,”Bao说。

目前仍不清楚需要编辑多少干细胞才能长期缓解患者病情。“我们不知道矫正多少百分比的HSCs才能有效地治疗镰状细胞病,”Bao说。“有些人说只需要百分之几,有些人说需要5-10%。我估计5%左右就足够了,但确切的百分比只能通过临床试验确定。”

“人类试验可能还要‘飞’一段时间,”他说。“从技术上讲,我们已经准备好进行临床试验了。但是,哪怕仅获得试验批准就需要大量的资源。我们需要编写数据并做额外的实验来解决安全问题。”

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原文检索:Highly efficient editing of the β-globin gene in patient-derived hematopoietic stem and progenitor cells to treat sickle cell disease

(生物通:伍松)

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