CRISPR-bærende nanopartikler redigerer genomet

I en ny undersøgelse, MIT-forskere har udviklet nanopartikler, der kan levere CRISPR genom-redigeringssystemet og specifikt modificere gener i mus. Holdet brugte nanopartikler til at bære CRISPR-komponenterne, eliminerer behovet for at bruge vira til levering.

Ved at bruge den nye leveringsteknik, forskerne var i stand til at skære visse gener ud i omkring 80 procent af levercellerne, den bedste succesrate, der nogensinde er opnået med CRISPR hos voksne dyr.

"Det, der virkelig er spændende her, er, at vi har vist, at du kan lave en nanopartikel, der kan bruges til permanent og specifikt at redigere DNA'et i leveren på et voksent dyr, siger Daniel Andersen, en lektor i MIT's Department of Chemical Engineering og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Et af de gener, der er målrettet i denne undersøgelse, kendt som Pcsk9, regulerer kolesterolniveauet. Mutationer i den menneskelige version af genet er forbundet med en sjælden lidelse kaldet dominant familiær hyperkolesterolæmi, og FDA godkendte for nylig to antistoflægemidler, der hæmmer Pcsk9. Imidlertid, disse antistoffer skal tages regelmæssigt, og resten af ​​patientens liv, at yde terapi. De nye nanopartikler redigerer genet permanent efter en enkelt behandling, og teknikken giver også løfte om behandling af andre leversygdomme, ifølge MIT-teamet.

Anderson er seniorforfatter af undersøgelsen, som fremgår af 13. november -udgaven af Natur bioteknologi . Artiklens hovedforfatter er Koch Institute-forsker Hao Yin. Andre forfattere inkluderer David H. Koch Institute Professor Robert Langer fra MIT, professorerne Victor Koteliansky og Timofei Zatsepin fra Skolkovo Institute of Science and Technology, og professor Wen Xue fra University of Massachusetts Medical School.

Målretning mod sygdom

Mange forskere forsøger at udvikle sikre og effektive måder at levere de nødvendige komponenter til CRISPR, som består af et DNA-skærende enzym kaldet Cas9 og et kort RNA, der leder enzymet til et specifikt område af genomet, dirigerer Cas9, hvor man skal gøre sit snit.

I de fleste tilfælde, forskere er afhængige af vira til at bære genet for Cas9, samt RNA -guidestrengen. I 2014, Anderson, Yin, og deres kolleger udviklede et ikke-viralt leveringssystem i den første demonstration nogensinde af helbredelse af en sygdom (leversygdommen tyrosinæmi) med CRISPR hos et voksent dyr. Imidlertid, denne type levering kræver en højtryksindsprøjtning, en metode, der også kan forårsage nogle skader på leveren.

Senere, forskerne viste, at de kunne levere komponenterne uden højtryksinjektionen ved at pakke messenger-RNA (mRNA), der koder for Cas9, til en nanopartikel i stedet for en virus. Ved hjælp af denne tilgang, hvor guide-RNA'et stadig blev leveret af en virus, forskerne var i stand til at redigere målgenet i omkring 6 procent af hepatocytter, hvilket er nok til at behandle tyrosinæmi.

Selvom denne leveringsteknik lover, i nogle situationer ville det være bedre at have et fuldstændigt ikke-viralt leveringssystem, siger Anderson. En overvejelse er, at når en bestemt virus er brugt, patienten vil udvikle antistoffer mod det, så den kunne ikke bruges igen. Også, nogle patienter har allerede eksisterende antistoffer mod de vira, der testes som CRISPR-leveringsbærere.

I det nye Nature Biotechnology papir, forskerne kom med et system, der leverer både Cas9 og RNA -guiden ved hjælp af nanopartikler, uden behov for virus. For at levere guide-RNA'erne, de skulle først kemisk modificere RNA'et for at beskytte det mod enzymer i kroppen, som normalt ville nedbryde det, før det kunne nå sit bestemmelsessted.

Forskerne analyserede strukturen af ​​komplekset dannet af Cas9 og RNA-guiden, eller sgRNA, at finde ud af, hvilke sektioner af guide-RNA-strengen der kunne modificeres kemisk uden at forstyrre bindingen af ​​de to molekyler. Baseret på denne analyse, de skabte og testede mange mulige kombinationer af modifikationer.

"Vi brugte strukturen af ​​Cas9- og sgRNA-komplekset som en guide og lavede test for at finde ud af, at vi kan modificere så meget som 70 procent af guide-RNA'et, " siger Yin. "Vi kunne modificere det kraftigt og ikke påvirke bindingen af ​​sgRNA og Cas9, og denne forbedrede modifikation øger virkelig aktiviteten."

Omprogrammering af leveren

Forskerne pakkede disse modificerede RNA-guider (som de kalder forstærket sgRNA) i lipid-nanopartikler, som de tidligere havde brugt til at levere andre typer RNA til leveren, og injiceret dem i mus sammen med nanopartikler indeholdende mRNA, der koder for Cas9.

De eksperimenterede med at slå et par forskellige gener ud, udtrykt af hepatocytter, men fokuserede det meste af deres opmærksomhed på det kolesterolregulerende Pcsk9-gen. Forskerne var i stand til at fjerne dette gen i mere end 80 procent af levercellerne, og Pcsk9-proteinet var ikke-detekterbart i disse mus. De fandt også et fald på 35 procent i det samlede kolesteroltal for de behandlede mus.

Forskerne arbejder nu på at identificere andre leversygdomme, der kan drage fordel af denne tilgang, og fremme disse tilgange til brug hos patienter.

"Jeg tror, ​​at det at have en fuldsyntetisk nanopartikel, der specifikt kan slukke gener, kan være et stærkt værktøj, ikke kun for PC9, men også for andre sygdomme, "Anderson siger." Leveren er et virkelig vigtigt organ og er også en kilde til sygdom for mange mennesker. Hvis du kan omprogrammere leverens DNA, mens du stadig bruger det, vi tror, ​​der er mange sygdomme, der kan løses."

"Vi er meget glade for at se denne nye anvendelse af nanoteknologi åbne nye veje for genredigering, " tilføjer Langer.