I en ny studie, MIT-forskare har utvecklat nanopartiklar som kan leverera CRISPR-genomredigeringssystemet och specifikt modifiera gener hos möss. Teamet använde nanopartiklar för att bära CRISPR -komponenterna, eliminera behovet av att använda virus för leverans.

Med hjälp av den nya leveransmetoden, forskarna kunde klippa ut vissa gener i cirka 80 procent av levercellerna, den bästa framgångsgraden som någonsin uppnåtts med CRISPR hos vuxna djur.

"Det som är riktigt spännande här är att vi har visat att du kan göra en nanopartikel som kan användas för att permanent och specifikt redigera DNA i levern hos ett vuxet djur, säger Daniel Anderson, docent vid MIT:s avdelning för kemiteknik och medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

En av generna som riktas mot denna studie, känd som Pcsk9, reglerar kolesterolnivåer. Mutationer i den mänskliga versionen av genen är associerade med en sällsynt sjukdom som kallas dominant familjär hyperkolesterolemi, och FDA godkände nyligen två antikroppsläkemedel som hämmar Pcsk9. Dock, dessa antikroppar måste tas regelbundet, och för resten av patientens liv, att ge terapi. De nya nanopartiklarna redigerar genen permanent efter en enda behandling, och tekniken erbjuder också löfte för behandling av andra leversjukdomar, enligt MIT -teamet.

Anderson är seniorförfattare till studien, som visas i 13 november -numret av Naturbioteknik . Tidningens huvudförfattare är forskare vid Koch Institute Hao Yin. Andra författare inkluderar David H. Koch Institute Professor Robert Langer från MIT, professorerna Victor Koteliansky och Timofei Zatsepin från Skolkovo Institute of Science and Technology, och professor Wen Xue vid University of Massachusetts Medical School.

Inriktning på sjukdom

Många forskare försöker utveckla säkra och effektiva sätt att leverera de komponenter som behövs för CRISPR, som består av ett DNA-skärande enzym som heter Cas9 och ett kort RNA som leder enzymet till ett specifikt område av genomet, riktar Cas9 var man ska göra sitt snitt.

I de flesta fallen, forskare förlitar sig på virus för att bära genen för Cas9, samt RNA -guide -strängen. Under 2014, Anderson, Yin, och deras kollegor utvecklade ett icke-viralt leveranssystem i den första demonstrationen av att bota en sjukdom (leversjukdom tyrosinemi) med CRISPR hos ett vuxet djur. Dock, denna typ av leverans kräver en högtrycksinjektion, en metod som också kan orsaka viss skada på levern.

Senare, forskarna visade att de kunde leverera komponenterna utan högtrycksinjektionen genom att förpacka messenger-RNA (mRNA) som kodar Cas9 i en nanopartikel istället för ett virus. Med denna metod, där guide -RNA fortfarande levererades av ett virus, forskarna kunde redigera målgenen i cirka 6 procent av hepatocyterna, vilket är tillräckligt för att behandla tyrosinemi.

Även om den leveranstekniken lovar, i vissa situationer vore det bättre att ha ett helt icke -viralt leveranssystem, Säger Anderson. En övervägande är att när ett visst virus används, patienten kommer att utveckla antikroppar mot den, så den kunde inte användas igen. Också, vissa patienter har redan existerande antikroppar mot de virus som testas som CRISPR-leveransbilar.

I det nya Nature Biotechnology -papper, forskarna kom med ett system som levererar både Cas9 och RNA -guiden med hjälp av nanopartiklar, utan behov av virus. För att leverera guide -RNA:erna, de var först tvungna att kemiskt modifiera RNA för att skydda det från enzymer i kroppen som normalt skulle bryta ner det innan det kunde nå sitt mål.

Forskarna analyserade strukturen för det komplex som bildades av Cas9 och RNA -guiden, eller sgRNA, att ta reda på vilka sektioner av guide -RNA -strängen som kan modifieras kemiskt utan att störa bindningen av de två molekylerna. Baserat på denna analys, de skapade och testade många möjliga kombinationer av modifieringar.

"Vi använde strukturen för Cas9 och sgRNA -komplexet som en vägledning och gjorde tester för att ta reda på att vi kan modifiera så mycket som 70 procent av guide -RNA, "Säger Yin." Vi kan kraftigt ändra det och inte påverka bindningen av sgRNA och Cas9, och den här förbättrade modifieringen förbättrar verkligen aktiviteten. "

Omprogrammering av levern

Forskarna förpackade dessa modifierade RNA -guider (som de kallar förbättrat sgRNA) i lipid -nanopartiklar, som de tidigare hade använt för att leverera andra typer av RNA till levern, och injicerade dem i möss tillsammans med nanopartiklar som innehåller mRNA som kodar för Cas9.

De experimenterade med att slå ut några olika gener uttryckta av hepatocyter, men fokuserade större delen av deras uppmärksamhet på den kolesterolreglerande Pcsk9-genen. Forskarna kunde eliminera denna gen i mer än 80 procent av levercellerna, och Pcsk9 -proteinet var odetekterbart hos dessa möss. De fann också en minskning med 35 procent av de totala kolesterolnivåerna hos de behandlade mössen.

Forskarna arbetar nu med att identifiera andra leversjukdomar som kan ha nytta av detta tillvägagångssätt, och främja dessa tillvägagångssätt mot användning hos patienter.

"Jag tror att ha en helsyntetisk nanopartikel som specifikt kan stänga av gener kan vara ett kraftfullt verktyg, inte bara för PC9, utan också för andra sjukdomar, "Anderson säger." Levern är ett riktigt viktigt organ och är också en källa till sjukdom för många människor. Om du kan programmera om din levers DNA medan du fortfarande använder det, vi tror att det finns många sjukdomar som kan hanteras. "

"Vi är mycket glada över att se denna nya tillämpning av nanoteknik öppna nya vägar för genredigering, "Tillägger Langer.