Nya verktyg för redigering av genetisk kod ger hopp om nya behandlingar för ärftliga sjukdomar, några cancerformer, och till och med envisa virusinfektioner. Men den typiska metoden för att ge genterapier till specifika vävnader i kroppen kan vara komplicerad och kan orsaka oroande biverkningar.

Forskare vid University of Wisconsin-Madison har tagit upp många av dessa problem genom att packa ner en genredigerande nyttolast i en liten anpassningsbar, syntetisk nanokapsel. De beskrev leveranssystemet och dess last idag (9 september, 2019) i tidningen Naturnanoteknik .

"För att redigera en gen i en cell, redigeringsverktyget måste levereras inuti cellen säkert och effektivt, "säger Shaoqin" Sarah "Gong, professor i biomedicinsk teknik och utredare vid Wisconsin Institute for Discovery vid UW-Madison. Hennes labb specialiserar sig på att designa och bygga nanoskala leveranssystem för riktad terapi.

"Att redigera fel vävnad i kroppen efter injektion av genterapier är av stor oro, "säger Krishanu Saha, också en UW-Madison professor i biomedicinsk teknik och styrkommitté medordförande för ett rikstäckande konsortium om genomredigering med 190 miljoner dollar i stöd från National Institutes of Health. "Om reproduktionsorgan oavsiktligt redigeras, då skulle patienten vidarebefordra genredigeringen till sina barn och varje efterföljande generation. "

De flesta genomredigeringar görs med virala vektorer, enligt Gong. Virus har miljarder års erfarenhet av att invadera celler och samarbeta i cellens egna maskiner för att göra nya kopior av viruset. I genterapi, virus kan ändras för att bära genomredigeringsmaskineri snarare än sina egna virala gener in i celler. Redigeringsmaskineriet kan sedan ändra cellens DNA till, säga, rätta till ett problem i den genetiska koden som orsakar eller bidrar till sjukdom.

"Virala vektorer är attraktiva eftersom de kan vara mycket effektiva, men de är också förknippade med ett antal säkerhetsproblem, inklusive oönskade immunsvar, säger Gong.

Nya cellmål kan också kräva mödosamma förändringar av virusvektorer, och tillverkning av skräddarsydda virala vektorer kan vara komplicerat.

"Det är mycket svårt - om inte omöjligt - att anpassa många virala vektorer för leverans till en specifik cell eller vävnad i kroppen, "Säger Saha.

Gongs laboratorium belagde en nytteter för genterapi - nämligen en version av genredigeringsverktyget CRISPR-Cas9 med guide RNA utformat i Sahas laboratorium-med ett tunt polymerskal, vilket resulterar i en kapsel med cirka 25 nanometer i diameter. Ytan på nanokapseln kan dekoreras med funktionella grupper såsom peptider som ger nanopartiklarna förmågan att rikta vissa celltyper.

Nanokapseln förblir intakt utanför cellerna - i blodomloppet, till exempel - bara för att falla isär inuti målcellen när den triggas av en molekyl som kallas glutation. Den frigjorda nyttolasten flyttar sedan till kärnan för att redigera cellens DNA. Nanokapslarna förväntas minska oplanerade genetiska redigeringar på grund av deras korta livslängd inuti cellens cytoplasma.

Detta projekt är ett samarbete som kombinerar UW-Madison-expertis inom kemi, teknik, biologi och medicin. Pediatrik- och oftalmologiprofessorn Bikash R. Pattnaik och den jämförande biovetenskapsprofessorn Masatoshi Suzuki och deras team arbetade med att demonstrera genredigering i musögon och skelettmuskler, respektive, med hjälp av nanokapslarna.

Eftersom nanokapslarna kan frystorkas, de kan enkelt renas, lagrat, och transporteras som ett pulver, samtidigt som den ger flexibilitet för doskontroll. Forskarna, med Wisconsin Alumni Research Foundation, ha patent på nanopartiklarna.

"Den lilla storleken, överlägsen stabilitet, mångsidighet i ytmodifiering, och hög redigeringseffektivitet av nanokapslarna gör dem till en lovande plattform för många typer av genterapier, säger Gong.

Teamet syftar till att ytterligare optimera nanokapslarna i pågående forskning för effektiv redigering i hjärnan och ögat.