Genomredigeringstekniken CRISPR har dykt upp som ett kraftfullt nytt verktyg som kan förändra vårt sätt att behandla sjukdomar. Utmaningen när vi ändrar genetiken i våra celler, dock, är hur man gör det säkert, effektivt, och specifikt inriktat på genen, vävnad och organ som behöver behandling. Forskare vid Tufts University och Broad Institute of Harvard och MIT har utvecklat unika nanopartiklar som består av lipider - fettmolekyler - som kan förpacka och leverera genredigeringsmaskiner specifikt till levern. I en studie publicerad idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , de har visat att de kan använda lipidnanopartiklarna (LNP) för att effektivt leverera CRISPR-maskineriet till levern på möss, vilket resulterar i specifik genomredigering och sänkning av kolesterolnivåerna i blodet med så mycket som 57 % – en minskning som kan pågå i minst flera månader med bara en spruta.

Problemet med högt kolesterol plågar mer än 29 miljoner amerikaner, enligt Centers for Disease Control and Prevention. Tillståndet är komplext och kan härröra från flera gener såväl som närings- och livsstilsval, så det är inte lätt att behandla. Tufts och Broad-forskarna, dock, har modifierat en gen som skulle kunna ge en skyddande effekt mot förhöjt kolesterol om den kan stängas av genom genredigering.

Genen som forskarna fokuserade på kodar för det angiopoietinliknande 3-enzymet (Angptl3). Det enzymet dämpar aktiviteten hos andra enzymer - lipaser - som hjälper till att bryta ner kolesterol. Om forskare kan slå ut Angptl3-genen, de kan låta lipaserna göra sitt jobb och minska kolesterolnivåerna i blodet. Det visar sig att vissa lyckliga människor har en naturlig mutation i sin Angptl3-gen, leder till konsekvent låga nivåer av triglycerider och lågdensitetslipoprotein (LDL) kolesterol, vanligtvis kallat "dåligt" kolesterol, i blodet utan några kända kliniska nackdelar.

"Om vi ​​kan replikera det tillståndet genom att slå ut angptl3-genen i andra, vi har en god chans att ha en säker och långsiktig lösning på högt kolesterol, sa Qiaobing Xu, docent i biomedicinsk teknik vid Tufts tekniska högskola och motsvarande författare till studien. "Vi måste bara se till att vi levererar genredigeringspaketet specifikt till levern för att inte skapa oönskade biverkningar."

Xus team kunde göra just det i musmodeller. Efter en enda injektion av lipidnanopartiklar packade med mRNA som kodar för CRISPR-Cas9 och ett enkelriktat RNA som riktar sig till Angptl3, de observerade en kraftig minskning av LDL-kolesterol med så mycket som 57 % och triglyceridnivåer med cirka 29 %, som båda förblev på de sänkta nivåerna i minst 100 dagar. Forskarna spekulerar i att effekten kan vara mycket längre än så, kanske bara begränsas av den långsamma omsättningen av celler i levern, vilket kan ske under en period av cirka ett år. Minskningen av kolesterol och triglycerider är dosberoende, så att deras nivåer kunde justeras genom att injicera färre eller fler LNP i ett enda skott, sa forskarna.

Som jämförelse, en befintlig, FDA-godkänd version av CRISPR mRNA-laddade LNP:er kunde endast minska LDL-kolesterol med högst 15,7 % och triglycerider med 16,3 % när det testades på möss, enligt forskarna.

Tricket för att göra en bättre LNP var att anpassa komponenterna - molekylerna som samlas för att bilda bubblor runt mRNA. LNP:erna består av långkedjiga lipider som har ett laddat eller polärt huvud som attraheras av vatten, en kolkedjas svans som pekar mot mitten av bubblan som innehåller nyttolasten, och en kemisk länk mellan dem. Det finns också polyetylenglykol, och ja, även en del kolesterol – som har en normal roll i lipidmembran för att göra dem mindre läckande – för att hålla innehållet bättre.

Forskarna fann att naturen och det relativa förhållandet mellan dessa komponenter verkade ha djupgående effekter på leveransen av mRNA till levern, så de testade LNP med många kombinationer av huvuden, svansar, länkar och förhållanden mellan alla komponenter för deras förmåga att målinrikta leverceller. Eftersom in vitro-styrkan hos en LNP-formulering sällan återspeglar dess in vivo-prestanda, de utvärderade direkt leveransspecificiteten och effektiviteten hos möss som har en reportergen i sina celler som lyser rött när genomredigering sker. I sista hand, de hittade en CRISPR mRNA-laddad LNP som lyste upp bara levern hos möss, visar att det specifikt och effektivt kunde leverera genredigeringsverktyg till levern för att utföra sitt arbete.

LNP byggdes på tidigare arbete på Tufts, där Xu och hans team utvecklade LNP:er med så mycket som 90 % effektivitet för att leverera mRNA till celler. En unik egenskap hos dessa nanopartiklar var närvaron av disulfidbindningar mellan de långa lipidkedjorna. Utanför cellerna, LNP:erna bildar en stabil sfärisk struktur som låser i deras innehåll. När de är inne i en cell, miljön inom bryter disulfidbindningarna för att demontera nanopartiklarna. Innehållet släpps sedan snabbt och effektivt ut i cellen. Genom att förhindra förlust utanför cellen, LNP:erna kan ha en mycket högre avkastning när det gäller att leverera sitt innehåll.

"CRISPR är ett av de mest kraftfulla terapeutiska verktygen för behandling av sjukdomar med en genetisk etiologi. Vi har nyligen sett det första mänskliga kliniska spåret för CRISPR-terapi som möjliggörs av LNP-leverans att administreras systemiskt för att redigera gener inuti människokroppen. Vår LNP plattform som utvecklats här har stor potential för klinisk översättning, sa Min Qiu, postdoktor i Xus labb på Tufts. "Vi föreställer oss att med denna LNP-plattform i hand, vi kan nu göra CRISPR till ett praktiskt och säkert tillvägagångssätt för att behandla ett brett spektrum av leversjukdomar eller leversjukdomar, " sa Zachary Glass, doktorand i Xu-labbet. Qiu och Glass är medförfattare till studien.