麻省理工學(xué)院:新的納米粒子可以在肺部進(jìn)行基因編輯
利用這些RNA遞送顆粒，研究人員希望開(kāi)發(fā)囊性纖維化和其他肺部疾病的新療法。
麻省理工學(xué)院和馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種新型納米顆粒，可以施用于肺部，在那里它可以傳遞編碼有用蛋白質(zhì)的信使RNA。
研究人員說(shuō)，隨著進(jìn)一步發(fā)展，這些顆粒可以為囊性纖維化和其他肺部疾病提供可吸入的方法。
“這是證明RNA在小鼠肺部高效遞送。我們希望它可以用來(lái)或修復(fù)一系列遺傳疾病，包括囊性纖維化，“麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系教授，麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所（IMES）成員丹尼爾安德森說(shuō)。
在一項(xiàng)對(duì)小鼠的研究中，安德森和他的同事使用這些顆粒來(lái)傳遞編碼CRISPR / Cas9基因編輯所需機(jī)器的mRNA。這可能為設(shè)計(jì)性納米顆粒打開(kāi)大門(mén)，這些納米顆粒可以剪掉并取代致病基因。
該研究的作者是安德森，該研究今天發(fā)表在《自然生物技術(shù)》上;羅伯特·蘭格，麻省理工學(xué)院大衛(wèi)·H·科赫研究所教授;以及麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院RNA研究所副教授薛文。李博文，前麻省理工學(xué)院博士后，現(xiàn)任多倫多大學(xué)助理教授;拉吉斯·辛格·馬南，麻省理工學(xué)院博士后;麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后梁順清是論文的主要作者。
以肺部為目標(biāo)
信使RNA作為由缺陷基因引起的各種疾病的方法具有巨大的潛力。迄今為止，部署它的一個(gè)障礙是難以將其運(yùn)送到身體的右側(cè)，而不會(huì)產(chǎn)生脫靶效應(yīng)。注射的納米顆粒經(jīng)常積聚在肝臟中，因此目前正在進(jìn)行幾項(xiàng)評(píng)估肝臟疾病潛在mRNA的臨床試驗(yàn)。直接注射到肌肉組織中的基于RNA的Covid-19疫苗也被證明是有效的。在許多情況下，mRNA被封裝在脂質(zhì)納米顆粒中 - 一種脂肪球，可保護(hù)mRNA免于過(guò)早分解并幫助其進(jìn)入靶細(xì)胞。
幾年前，安德森的實(shí)驗(yàn)室著手設(shè)計(jì)能夠更好地轉(zhuǎn)染構(gòu)成大部分肺內(nèi)壁的上皮細(xì)胞的顆粒。2019年，他的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了納米顆粒，可以將編碼生物發(fā)光蛋白的mRNA傳遞給肺細(xì)胞。這些顆粒由聚合物而不是脂質(zhì)制成，這使得它們更容易霧化吸入肺部。然而，需要對(duì)這些顆粒進(jìn)行更多的工作，以增加它們的效力并限度地提高它們的效用。
在他們的新研究中，研究人員著手開(kāi)發(fā)可以靶向肺部的脂質(zhì)納米顆粒。這些顆粒由包含兩部分的分子組成：帶正電荷的頭基和長(zhǎng)脂質(zhì)尾巴。頭基的正電荷有助于粒子與帶負(fù)電荷的mRNA相互作用，并且還有助于mRNA從一旦進(jìn)入細(xì)胞就會(huì)吞噬粒子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)中逃逸。
同時(shí)，脂質(zhì)尾部結(jié)構(gòu)有助于顆粒通過(guò)細(xì)胞膜。研究人員為脂質(zhì)尾巴提出了10種不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及72種不同的頭基。通過(guò)在小鼠中篩選這些結(jié)構(gòu)的不同組合，研究人員能夠識(shí)別出有可能到達(dá)肺部的結(jié)構(gòu)。
高效交付
在對(duì)小鼠的進(jìn)一步測(cè)試中，研究人員表明，他們可以使用這些顆粒來(lái)傳遞編碼CRISPR / Cas9成分的mRNA，這些成分旨在切斷遺傳編碼到動(dòng)物肺細(xì)胞中的停止信號(hào)。當(dāng)停止信號(hào)被移除時(shí)，熒光蛋白的基因就會(huì)打開(kāi)。測(cè)量這種熒光信號(hào)使研究人員能夠確定成功表達(dá)mRNA的細(xì)胞百分比。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在一劑mRNA之后，大約40%的肺上皮細(xì)胞被轉(zhuǎn)染。兩劑使水平超過(guò)50%，三劑達(dá)到60%。肺部疾病的重要靶點(diǎn)是兩種類(lèi)型的上皮細(xì)胞，稱(chēng)為俱樂(lè)部細(xì)胞和纖毛細(xì)胞，每種細(xì)胞的轉(zhuǎn)染率約為15%。
“這意味著我們能夠編輯的細(xì)胞實(shí)際上是肺部疾病感興趣的細(xì)胞，”李說(shuō)。“這種脂質(zhì)使我們能夠比迄今為止報(bào)道的任何其他遞送系統(tǒng)更有效地將mRNA輸送到肺部。
新顆粒也會(huì)迅速分解，使它們能夠在幾天內(nèi)從肺部清除，并降低炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。如果需要重復(fù)劑量，顆粒也可以多次輸送給同一患者。這使它們比另一種遞送mRNA的方法更具優(yōu)勢(shì)，后者使用無(wú)害腺病毒的改良版本。這些病毒在傳遞RNA方面非常有效，但不能反復(fù)給予，因?yàn)樗鼈儠?huì)在宿主中誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。
“這一成就為各種肺部疾病的性肺基因遞送應(yīng)用鋪平了道路，”特拉維夫大學(xué)納米醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任Dan Peer說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“與傳統(tǒng)疫苗和療法相比，該平臺(tái)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括它無(wú)細(xì)胞，能夠快速制造，并具有很高的多功能性和良好的安全性。
為了在這項(xiàng)研究中輸送顆粒，研究人員使用了一種稱(chēng)為氣管內(nèi)滴注的方法，該方法通常用作模擬藥物輸送到肺部的一種方式。他們現(xiàn)在正在努力使他們的納米顆粒更穩(wěn)定，因此可以使用霧化器將它們霧化和吸入。
研究人員還計(jì)劃測(cè)試顆粒以傳遞mRNA，該mRNA可以糾正在導(dǎo)致囊性纖維化的基因中發(fā)現(xiàn)的基因突變，在疾病的小鼠模型中。他們還希望開(kāi)發(fā)其他肺部疾病的方法，如特發(fā)性肺纖維化，以及可以直接輸送到肺部的mRNA疫苗。
該研究由Translate Bio，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，Leslie Dan藥學(xué)院?jiǎn)?dòng)基金，多倫多大學(xué)的PRiME博士后獎(jiǎng)學(xué)金，美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)和囊性纖維化基金會(huì)資助。
