《Cell》David Liu团队报告体内基因编辑新工具——首款治疗水平病毒样颗粒!

【字体: 时间:2022年01月14日 来源:生物通

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  Broad研究所已经开发出类似病毒的颗粒,可以向疾病的动物模型输送治疗水平的蛋白质。

  


文章作者:Allessandra DiCorato

基因编辑方法有望治疗一系列疾病,但将编辑剂安全有效地输送到动物模型和人类的细胞已被证明具有挑战性。现在,由麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的一个团队领导的研究人员已经开发出一种方法,能够在动物模型中获得细胞内的基因编辑蛋白质,并且具有足够高的效率,显示出治疗效果。

在发表在《Cell》杂志上的最新研究中,团队展示了他们如何设计病毒样颗粒,以提供碱基编辑器(DNA中可编程单字母变化的蛋白质)和CRISPR-Cas9核酸酶,一种在基因组中的目标位置切割DNA的蛋白质。协同加州大学欧文分校Krzysztof Palczewski和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Kiran Musunuru领导的研究小组,研究小组使用他们的颗粒,称为工程病毒样颗粒(eVLPs),以禁用与高胆固醇水平相关的小鼠基因。并部分恢复了基因突变导致基因失明的小鼠的视觉功能。

基因编辑器的体内递送瓶颈

类病毒颗粒(VLPs)是病毒蛋白质的小结构,携带分子货物,但不含病毒遗传物质,不会引起感染。由于VLPs缺乏病毒遗传物质,它们可能比使用实际病毒的其他传递方法更安全,因为真病毒可以将其遗传物质插入细胞基因组,并可能导致癌症。

几十年来,研究人员一直对类病毒颗粒感兴趣。研究人员可以通过在粒子表面使用不同的分子来影响VLPs在体内的最终目的地——例如肝脏或神经元。

新研究确定了VLPs的几个限制其输送效率的特征,并设计了粒子结构的改变以克服这些瓶颈。他们说,由此产生的eVLPs是第一个将治疗水平的基因编辑蛋白输送到成年动物各种组织中的病毒样颗粒。

当他们使用eVLPs将基因编辑器作为蛋白质来传递时,团队没有检测到任何偏离目标的编辑,但是,当编辑器作为DNA来传递时却会检测到“脱靶”。他们的观察结果证实了先前的研究,该研究表明使用蛋白质形式的基因编辑器的好处,并表明eVLPs可以安全地传递这些基因。科学家补充说,他们的eVLPs不仅有可能用于基因编辑,还可能用于输送其他治疗蛋白质。

该研究的通讯作者、Richard Merkin教授兼Broad Merkin医疗改革技术研究所所长David Liu说:“尽管基因编辑在未来发挥着重要作用,但体内交付已被证明是一个反复出现的挑战。”

“VLPs一直是最具吸引力的输送技术之一,但体内蛋白质输送效率低下,通过合理设计分子解决方案,以应对VLPs输送过程中的特定挑战,我们开发了eVLPs,大大提高了培养细胞的输送效力,并使动物能够高效输送。”

Liu的团队系统地设计了VLPs体系结构的不同部分,优化了其中的关键步骤,包括VLPs的生产方式、货物如何包装到VLPs中以及货物如何在细胞内释放和分布。

最终版本的eVLPs包装的货物蛋白质比以前的设计多16倍,使细胞和动物的编辑效率提高了8到26倍。正如研究小组所假设的那样,他们几乎看不到在不需要的位置进行编辑的证据,也没有将病毒DNA并入经eVLPs处理的细胞中。

“由于eVLPs提供了强大的靶向编辑功能,并最大限度地减少了非靶向编辑功能,我们希望它们能成为在体内传递基因编辑剂的一种更安全的方法,”该研究的第一作者之一、Liu实验室的博士生Aditya Raguram说。

多实验检验

研究小组使用他们优化的eVLPs系统纠正了一系列小鼠和人类细胞的突变,在某些情况下观察到95%的编辑效率。

科学家们利用eVLPs将碱基编辑程序传送到小鼠的肝脏,在那里有效地编辑了Pcsk9,这种基因一旦发生突变,可以显著降低血液中的“有害”胆固醇水平,从而降低一些患者患心脏病的风险。研究人员显示,一次注射eVLPs程序来导入这种突变,平均导致63%的Pcsk9编辑和78%的Pcsk9蛋白水平下降。研究小组表示,他们预计这些结果将大大降低个人患冠心病的风险。

研究人员还使用单次eVLPs注射来恢复患有失明突变的小鼠的视觉功能。他们纠正了Rpe65基因的突变,其编辑效率与其他碱基编辑传递技术相当,但偏离目标编辑和病毒DNA整合风险较小。

研究小组还将eVLPs直接注射到小鼠的大脑中,并观察到暴露于eVLPs的细胞约有50%的编辑效率。未来的努力将集中在改善eVLPs在整个大脑中的分布,结果表明,有望将基因编辑剂输送到这个众所周知难以靶向的器官。

现在Liu团队期待科学界采用eVLPs,并使用它们改善患者的治疗性大分子输送。

Liu的团队现在正在扩大eVLPs可以针对动物的器官和细胞类型的范围。他们还将继续研究eVLPs的特性,以更好地预测和减轻这些微粒可能产生的任何不必要的免疫反应。

“现在非常需要一种更好的方法将蛋白质输送到动物和患者的各种组织中,”Liu说。“我们希望这些eVLPs可能不仅对碱基编辑的传递有用,而且对其他治疗相关蛋白质也有用。”


原文网址:
https://www.broadinstitute.org/news/engineered-particles-efficiently-deliver-gene-editing-proteins-cells-mice

 

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