Cell：工程颗粒能有效地将基因编辑蛋白输送到小鼠细胞中

研究人员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。

　　

基因编辑技术有望治疗一系列疾病，但事实证明，将编辑剂安全有效地输送到动物模型和人体细胞中具有挑战性。现在，由麻省理工学院(MIT)和哈佛大学(Harvard)布罗德研究所(Broad Institute)的一个团队领导的研究人员已经开发出一种方法，可以将基因编辑蛋白高效地植入动物模型的细胞内，以显示治疗效果。

在《细胞》杂志上发表的一项新研究中，该团队展示了他们如何改造病毒样颗粒来传递碱基编辑器(在DNA中进行可编程的单字改变的蛋白质)和CRISPR-Cas9核酸酶(一种在基因组中靶向位点剪切DNA的蛋白质)。在与加州大学尔湾分校的Krzysztof Palczewski和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Kiran Musunuru领导的研究团队的合作中，该团队使用了他们的粒子，称为工程病毒样粒子(eVLPs)，使小鼠体内与高胆固醇水平相关的基因失效，并部分恢复导致基因失明的突变小鼠的视觉功能。

长期以来，科学家一直在研究病毒样颗粒作为潜在的药物传递载体。病毒样颗粒(VLPs)是携带分子载体的病毒蛋白质的小结构，但不包含病毒遗传物质，也不会引起感染。由于VLPs缺乏病毒遗传物质，它们可能比其他使用实际病毒的传递方法更安全，因为实际病毒可以将它们的遗传物质插入细胞基因组，并可能导致癌症。

Broad团队确定了VLPs的几个限制其传输效率的特性，并通过工程改变粒子的结构来克服这些瓶颈。他们说，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的各种组织的病毒样颗粒。

在他们的研究中，当他们使用eVLPs以蛋白质的形式传递基因编辑机制时，没有检测到任何脱靶编辑，但当编辑器以DNA的形式传递时，检测到了脱靶编辑。他们的观察证实了之前的研究表明使用蛋白质形式的基因编辑器的好处，并表明eVLPs可以安全地传递它们。科学家们补充说，他们的eVLPs不仅可能用于基因编辑，还可能用于传递其他治疗性蛋白质。

“体内交付已经被证明是一个反复出现的挑战,尽管这是一个至关重要的方面的任何未来的基因编辑中起着重要作用,”David Liu说,该研究的资深作者理查德·梅金教授和主任叫法变革性技术研究所的广泛的医疗保健。刘也是霍华德休斯医学研究所的研究员和哈佛大学的教授。

“VLPs一直是最有吸引力的传递技术之一，但在体内传递蛋白质效率低下，”刘说。“通过合理设计分子解决方案来解决VLP传递过程中的特定挑战，我们开发了eVLPs，极大地提高了在培养细胞中的传递能力，也使动物体内的高效传递成为可能。

几十年来，类病毒颗粒一直引起研究人员的兴趣，因为它们的行为类似于病毒，可以进入细胞并运送治疗性蛋白质等物质。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。

为了利用这些特性并改善交付，Liu的团队系统地设计了VLP体系结构的不同部分，以优化几个关键步骤——VLP如何生产、货物如何被打包成VLP，以及货物如何在单元内释放和分发。

他们的eVLP最终版本包装的装载蛋白是之前设计的16倍，并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，他们几乎没有看到在不需要的位置发生编辑的证据，也没有病毒DNA进入经过eVLPs处理的细胞。

“由于eVLPs提供了强大的对靶编辑功能，并最大限度地减少了脱靶编辑，我们希望它们将成为在体内传递基因编辑剂的一种更安全的方法，”该研究的共同第一作者、刘博士实验室的博士生阿迪亚·拉古拉姆(Aditya Raguram)说。

eVLPs在行动

该团队使用优化后的eVLP系统来纠正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。

然后，科学家们使用eVLPs将碱基编辑器传递到小鼠的肝脏中，在那里他们有效地编辑Pcsk9，这种基因一旦发生突变，可以显著降低血液中的“坏”胆固醇水平，从而降低一些患者患心脏病的风险。研究人员发现，单次注射被编程安装这种突变的eVLPs, Pcsk9的编辑率平均为63%，Pcsk9的蛋白水平下降了78%。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。

研究人员还使用了单一的eVLP注射来恢复带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，但脱靶编辑和病毒DNA整合的风险更低。

研究小组还将eVLPs直接注射到小鼠的大脑中，观察到暴露在eVLPs下的细胞的编辑效率约为50%。未来的努力将集中在改善eVLP在大脑中的分布，但结果显示，将基因编辑剂传递到一个非常难以靶向的器官是有希望的。

“eVLPs结合了病毒和非病毒传递系统的优点，”该研究的共同第一作者、刘实验室的博士后研究员萨马亚·班斯科塔(Samagya Banskota)说。它们还可以编程，相对容易生产，这使它们成为很有前途的蛋白质传递工具。我们期待科学界采用我们的eVLPs，并使用它们来改善患者的治疗性大分子药物输送。”

刘的团队现在正在扩大eVLPs在动物体内的作用范围和细胞类型。他们还将继续对eVLPs进行定性，以更好地预测和减轻颗粒可能产生的任何不必要的免疫反应。

“现在我们知道的一些关键eVLP瓶颈和如何解决这些问题,即使我们有开发新的一种不同寻常的eVLP蛋白质货物,我们可以更有效地这样做,”刘说,他指出,他们eVLP努力在2018年初开始。

“我们非常需要一种更好的方法来将蛋白质输送到动物和患者的各种组织中，我们希望这些eVLPs不仅可以用于传递碱基编辑器，还可以用于其他治疗相关的蛋白质。”