Nature子刊：直接在肺里进行基因编辑

利用这些RNA传递颗粒，研究人员希望开发出治疗囊性纤维化和其他肺部疾病的新疗法。

　　

麻省理工学院(MIT)和马萨诸塞大学医学院(University of Massachusetts Medical School)的工程师们设计了一种新型的纳米颗粒，可以被注射到肺部，在那里它可以传递编码有用蛋白质的信使RNA。研究人员说，随着进一步的发展，这些颗粒可以为囊性纤维化和其他肺部疾病提供可吸入的治疗方法。

在一项对小鼠的研究中，Anderson和他的同事们使用这些颗粒来传递编码CRISPR/Cas9基因编辑所需机制的mRNA。这为设计治疗性纳米颗粒打开了大门，这种纳米颗粒可以剪掉并替换致病基因。文章今天发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

“这是第一次在小鼠体内高效地将RNA输送到肺部。我们希望它可以用于治疗或修复包括囊性纤维化在内的一系列遗传疾病，”麻省理工学院化学工程系教授、麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所(IMES)成员Daniel Anderson说。

以肺部为目标

信使RNA作为一种治疗由缺陷基因引起的各种疾病的疗法具有巨大的潜力。迄今为止，其部署的一个障碍是难以将其输送到正确的身体部位，而不会产生脱靶效应。注射的纳米颗粒通常会积聚在肝脏中，因此目前正在进行几项评估mRNA治疗肝脏疾病潜力的临床试验。基于RNA的Covid-19疫苗直接注射到肌肉组织中，也被证明有效。在许多情况下，mRNA被包裹在脂质纳米颗粒中，这是一种脂肪球，可以保护mRNA不被过早分解，并帮助它进入靶细胞。

几年前，Anderson的实验室开始设计能够更好地转染构成肺粘膜大部分的上皮细胞的颗粒。2019年，他的实验室创造了纳米颗粒，可以将编码生物发光蛋白的mRNA传递到肺细胞。这些颗粒是由聚合物而不是脂质制成的，这使得它们更容易雾化吸入肺部。然而，还需要对这些粒子进行更多的研究，以提高它们的效力和最大限度地发挥它们的作用。

在他们的新研究中，研究人员着手开发可以靶向肺部的脂质纳米颗粒。这些颗粒由两部分分子组成:一个带正电的头基和一个长长的脂质尾巴。头部基团的正电荷有助于粒子与带负电荷的mRNA相互作用，也有助于mRNA逃离粒子进入细胞后被细胞结构吞没的细胞结构。与此同时，脂质尾部结构有助于颗粒通过细胞膜。研究人员提出了10种不同的脂质尾部化学结构，以及72种不同的头基。通过在小鼠体内筛选这些结构的不同组合，研究人员能够确定那些最有可能到达肺部的组合。

高效的交付

在对小鼠的进一步测试中，研究人员表明，他们可以使用这些颗粒来传递编码CRISPR/Cas9成分的mRNA，这些成分被设计用来切断基因编码到动物肺细胞中的停止信号。当停止信号被移除时，荧光蛋白的基因就会启动。测量这种荧光信号可以让研究人员确定成功表达mRNA的细胞的百分比。

研究人员发现，在一次剂量的mRNA后，大约40%的肺上皮细胞被转染。两次剂量使该水平超过50%，三次剂量达到60%。治疗肺部疾病最重要的靶点是两种上皮细胞，即俱乐部细胞和纤毛细胞，每种细胞都被转染了约15%。

“这意味着我们能够编辑的细胞确实是肺部疾病感兴趣的细胞，”博士后Bowen Li说。“这种脂质可以使我们比迄今为止报道的任何其他传递系统更有效地将mRNA传递到肺部。”

这些新颗粒还能迅速分解，几天内就能从肺部清除，降低炎症的风险。如果需要重复给药，这种颗粒也可以多次给同一个病人注射。这使得它们比另一种传递mRNA的方法更有优势，这种方法使用一种改良的无害腺病毒。这些病毒在传递RNA方面非常有效，但不能重复注射，因为它们会在宿主体内诱导免疫反应。

在这项研究中，为了输送颗粒，研究人员使用了一种称为气管内灌注的方法，这种方法经常被用作模拟药物输送到肺部的方法。他们现在正致力于使纳米颗粒更加稳定，这样它们就可以被雾化并使用喷雾器吸入。研究人员还计划在该疾病的小鼠模型中测试这些颗粒，以传递能够纠正导致囊性纤维化的基因突变的mRNA。他们还希望开发其他肺部疾病的治疗方法，如特发性肺纤维化，以及可以直接输送到肺部的mRNA疫苗。

特拉维夫大学精密纳米医学实验室主任Dan Peer评论说:“这一成就为各种肺部疾病的治疗性肺基因传递应用铺平了道路。与传统的疫苗和疗法相比，这个平台有几个优势，包括它是无细胞的，可以快速制造，具有高度的通用性和良好的安全性。”