Fler och fler forskare använder det kraftfulla nya genredigeringsverktyget känt som CRISPR/Cas9, en teknik isolerad från bakterier, som lovar ny behandling av sådana genetiska sjukdomar som cystisk fibros, muskeldystrofi och hemofili. Men för att fungera bra, det nya genklippningsverktyget måste levereras säkert över cellmembranet och in i dess kärna, en svår process som kan trigga cellens försvar och "fälla" CRISPR/Cas9, avsevärt minska dess behandlingspotential.

Nu, forskare inom nanokemi experten Vincent Rotellos laboratorium vid University of Massachusetts Amherst har designat ett leveranssystem som använder nanopartiklar för att hjälpa CRISPR/Cas9 över membranet och in i cellkärnan samtidigt som man undviker att fångas av cellulära maskiner. Detaljer visas i ett nyligen utgåva av tidningen ACS Nano .

Labbets experimentledare, Rubul Mout, säger, "CRISPR har två komponenter:ett saxliknande protein som heter Cas9, och en RNA-molekyl som kallas sgRNA som leder Cas9 till sin målgen. När Cas9-sgRNA-paret kommer till destinationsgenen i kärnan, den kan förhöra sina genetiska misstag och korrigera dem med hjälp av värdcellens reparationsmaskineri."

Han påpekar att sedan CRISPR:s potential först upptäcktes 2012, genredigering eller genomteknik har snabbt blivit ett intensivt forskningsämne inom biologi och medicin. Målet är att behandla annars obotliga genetiska sjukdomar genom att manipulera sjuka gener. "Dock, för att uppnå detta, bioteknik- och läkemedelsföretag söker ständigt efter effektivare CRISPR leveransmetoder, " han lägger till.

Det nya leveranssättet Rotello, Mout och kollegor designade innebär att konstruera Cas9-proteinet, heter Cas9En, och bärarnanopartiklar. Rotello säger, "Genom att finjustera interaktionerna mellan konstruerat Cas9En-protein och nanopartiklar, vi kunde konstruera dessa leveransvektorer. Vektorerna som bär Cas9-proteinet och sgRNA kommer i kontakt med cellmembranet, säkring, och släpper Cas9:sgRNA direkt in i cellcytoplasman."

"Cas9-protein har också en nukleär vägledande sekvens som leder komplexet in i destinationskärnan. Nyckeln är att justera Cas9-proteinet, ", tillägger han. "Vi har levererat detta Cas9-protein och sgRNA-par in i cellkärnan utan att få det instängt på vägen. Vi har sett leveransprocessen live i realtid med hjälp av sofistikerad mikroskopi."

Mout och kollegor säger att de nu kan leverera Cas9-protein- och sgRNA-paret till cirka 90 procent av cellerna som odlas i en odlingsskål med en redigeringseffektivitet på cirka 30 procent. "Nittio procent cytosolisk/nukleär leverans är en enorm förbättring jämfört med andra metoder, " påpekar Mout.

Forskarna tror att Cas9En också kan fungera som en plattform för leverans av en mängd andra material som polymerer, lipidnanopartiklar eller självsammansättande peptider. Rotello säger, "Nu när vi har uppnått effektiv genredigering i odlade celler, vi siktar på att redigera gener i prekliniska djurmodeller. Vi är också intresserade av genredigering för adoptivterapier, där en sjuk cell isoleras från en patient, korrigerad av CRISPR i labbet, och levereras tillbaka till patienten."

Förutom genredigering, den nya leveransmetoden kan ha andra användningsområden. Till exempel, en annan viktig fråga inom biologi och medicin är spårning av DNA och RNA inuti celler. Nyligen, CRISPR har använts för att underlätta denna forskning. Moumita Ray, en annan forskare i Rotello-labbet, säger, "Vår metod tillåter exakt övervakning av Cas9-proteinets rörelse inuti en cell, öppnar nya möjligheter inom genomforskning."