VLP-mRNA 递送技术:打通基因编辑体内治疗的最后一公里

来源: 生物360 / 作者: 2021-01-13
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自最早的基因编辑工具问世至今,基因编辑技术已经有近 30 年的历史了。特别是 2012 年以来,随着 CRISPR 的横空出世,基因编辑技术日渐趋于成熟。然而遗憾的是,相对于基因编辑工具本身的快速进化,其递送技术的发展极其缓慢和困难。而递送之于基因编辑治疗的重要性如同火箭之于登月。由于递送技术的滞后发展,体内基因编辑治疗的临床应用困难重重,整个领域都在期待递送技术的突破。

诺奖得主 Jennifer Doudna 在 2020 年初给 Nature 杂志撰写的综述中,系统论述了基因编辑治疗的前景和挑战。在展望 CRISPR 美好应用前景的同时,这位今年的诺奖得主发出了‘递送可能仍然是基因编辑体细胞治疗的最大瓶颈’的感叹(Delivery remains perhaps the biggest bottleneck to somatic-cell genome editing)。

近几年来,基因编辑工具本身的发展令人眼花缭乱,各种 Cas9 变体、碱基编辑工具及其变体、Prime Editor 等,层出不穷。但是,这些工具的临床应用必须回归到递送,而迄今为止可选的递送工具还是有几十年历史的‘老三件’:AAV、慢病毒以及纳米材料。尽管这些递送载体广泛用于基础研究,但它们却不适合直接用于临床。基因编辑的临床应用有着安全性和有效性的双重标准。一方面,病毒载体由于长时间的表达基因编辑酶,会带来安全性上的不确定性;另一方面,纳米材料则面临效率上的挑战。2020 年上半年,张峰作为创始人的著名基因编辑治疗科技型企业 Editas 实施了首例人体基因编辑治疗的临床研究 (Nature Biotechnology volume 38, page382(2020))。但由于该研究使用 AAV 作为载体,CRISPR 将长期与患者共存,具有一定的风险。理想的基因编辑递送工具需要兼具瞬时和高效的特点,以确保治疗的安全性和有效性。

1 月 5 日,上海交通大学系统生物医学研究院的蔡宇伽团队在《自然 - 生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志上发表了一篇题为:Lentiviral delivery of co-packaged Cas9 mRNA and a Vegfa-targeting guide RNA prevents wet age-related macular degeneration in mice 的研究论文,发明了一种介于病毒载体与非病毒载体之间的类病毒体(virus-like particle, VLP)递送技术。VLP 可以递送 CRISPR/Cas9 mRNA, 实现安全和高效的体内基因编辑。值得一提的是,该技术是我国首个完全自主开发的原创型基因治疗载体,体现了我国在基因治疗领域的科技进步。

慢病毒载体可以高效感染几乎所有的细胞,而非病毒成分 mRNA 具有瞬时性的特点。蔡宇伽团队利用 mRNA 茎环结构与噬菌体衣壳蛋白特异识别的原理,通过病毒工程技术,将两者的优点完美的结合起来,创造了新型递送技术 VLP-mRNA。通过 VLP-mRNA 递送 Cas9 mRNA, Cas9 的存在时间只有 72 小时。研究发现,与长时间表达 Cas9 的病毒系统相比,VLP mRNA 可以显著降低、甚至完全避免脱靶效应。另外,VLP mRNA 可以递送整个 CRISPR 元件(Cas9 与 gRNA), 克服了 AAV 载体运载能力小的限制,甚至可以递送更大的碱基编辑工具。

蔡宇伽团队研究人员还将 VLP-mRNA 技术用于眼科疾病的治疗。老年性黄斑变性(AMD)是一种退行性眼底疾病。患者表现为中心视力下降、视物变形、周边部或中心视野出现暗点, 对老年人的生活 质量造成极大的影响。据统计, 西方发达国家中 70 岁 以上的老年人罹患 AMD 者超过 40%。随着我国老年人口日渐增多, 黄斑变性的发病率也越来越高。另外,糖尿病患者也可能罹糖尿病相关黄斑变性,总体发病率在 10% 左右。目前,黄斑变性的治疗方法是 VEGF 单克隆抗体。然而,抗体需要反复给药;另外,抗体外溢可导致严重的并发症。

研究团队利用激光诱导的小鼠黄斑变性模型,通过视网膜下腔注射的方式,发现 CRISPR 特异性的分布在视网膜色素上皮细胞(RPE),而 RPE 细胞是眼内 VEGF 的主要来源。VLP 递送 CRISPR 实现了高达 44% 的 vegfa 基因敲除,降低了 63% 的新生血管面积。第二代测序表明 VLP-mRNA 未诱导出脱靶效应。对于此前报道的 AAV 递送 CRISPR 引起的大片段缺失,研究团队通过第三代测序,仅能发现勉强高于背景的信号。值得一提的是,VLP mRNA 无论在体外还是在眼内,均未引起免疫反应。这些实验结果有力支持了 CRISPR 在黄斑变性基因治疗上的临床应用潜力。

总的来说,VLP-mRNA 是一种通用型的、瞬时性的 CRISPR 递送工具,兼具高效和安全的优点。该技术无疑将帮助 CRISPR 体内基因编辑治疗时代的真正来临,为无药可治或有药难治的遗传性、获得性以及感染性疾病的患者带来新的希望。上海交通大学博士生凌思凯是本文的第一作者,上海交通大学附属第一人民医院眼科临床医学中心的杨仕琪博士、孙晓东教授也为本研究的完成做出了重要贡献。复旦大学附属眼耳鼻喉科医院、瑞金医院、中科院、丹麦奥胡斯大学的科学家参与了该研究。

原文标题:

Lentiviral delivery of co-packaged Cas9 mRNA and a Vegfa-targeting guide RNA prevents wet age-related macular degeneration in mice

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