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突破！用纳米粒子递送CRISPR Cas9质粒对内皮细胞进行基因编辑

Magigen

2022-01-05

芝加哥Luree儿童医院斯坦利·曼恩儿童研究所的Zhao You-Yang博士的实验室开发了一种独特的纳米颗粒，用于将基因编辑用的CRISPR Cas9质粒传递给内皮细胞，成功对内部细胞进行了基因编辑。

内皮细胞是血管壁上的细胞。内皮细胞在血管稳态和维持组织液平衡中起着至关重要的作用。它有助于维持微血管的抗血栓和抗炎状态，并控制底层血管平滑肌细胞的张力和增殖状态。内皮细胞还介导了多种生物学功能，如内吞作用和代谢，以及指导器官再生和修复。

在不利条件下，例如感染、组织坏死、免疫反应或高胆固醇血症，内皮细胞被激活，导致炎症和内皮屏障破坏（血管通透性增加、水肿形成、促炎细胞因子释放和白细胞外渗）。

内皮功能障碍在许多疾病的病因中占有突出地位，例如动脉粥样硬化、主要心血管疾病（心肌梗塞、中风、冠状动脉疾病和外周动脉疾病）的病理过程、败血症、急性呼吸窘迫综合征,和 COVID-19呼吸窘迫.

CRISPR Cas9系统被广泛用于编辑受精卵的基因组，产生各种转基因动物物种，包括小鼠、大鼠甚至猴子等动物.

重组腺相关病毒AAV是具有良好体内基因组编辑功效的递送系统之一。

但由于多种原因，这种方法可能存在问题。病毒载体可能触发高免疫反应，并且包装尺寸比较小，在 AAV 中限制为 4.7 kb。

由病毒载体介导的CRISPR/Cas9的扩展表达可能会导致不必要的DNA 损伤和免疫原性。由于这些原因，非病毒载体的使用引起了研究人员广泛的兴趣。使用脂质纳米颗粒在肝脏中获得了有效的基因组编辑，但对肝脏以外的器官仍然是一个挑战。

这是首次接触到血管内皮细胞进行基因组编辑，因为通常通过病毒传递CRISPR/Cas9的方法对这种细胞不起作用。

在本研究中，研究人员开发了采用poly(ethylene glycol) methyl ether-block-poly(lactide-co-glycolide) (PEG-b-PLGA)共聚物的纳米颗粒。该纳米颗粒具有优异的分布血管递送和显示能力。纳米颗粒介导CRISPR Cas9质粒的递送, 在CDH5启动子和U6驱动的引导RNA (gRNA)的控制下, 启动子诱导了高效的基因组编辑，特别是在成年小鼠的各种血管床包括肺、心脏、主动脉和外周脉管系统的内皮细胞中，单次给药，免疫印迹和免疫荧光染色显示内皮细胞中蛋白质表达选择性降低80%，导致与基因敲除小鼠相似的表型。质粒DNA的纳米粒传递可诱导两个基因的基因组编辑，或基因组编辑和转基因表达同时在内皮细胞中进行。因此，质粒DNA的纳米粒递送是一种快速有效地改变内皮细胞中基因表达的有力工具，可用于心血管研究和潜在的基因治疗。这为心血管研究提供了重大支持，促进分子机制的了解和血管疾病药物靶点的识别。

研究结果发表在《Cell》杂志上。

图1 用纳米颗粒传递CRISPR Cas9质粒进行基因编辑 Zhao et al. Cell

“我们开发的纳米颗粒是一种强大的血管内皮细胞基因组编辑新的递送系统，可以用于治疗许多疾病，包括严重COVID-19的急性呼吸窘迫综合征，”论文的作者、来自Luree儿童医院的Zhao博士说。“有了这种纳米颗粒，我们可以引入抑制血管损伤、或促进血管修复的基因，纠正基因突变，打开或关闭基因以恢复正常功能。它还允许我们同时编辑多个基因。这是治疗由内皮功能障碍引起的任何疾病的一个重要进展。”

内皮功能障碍是许多疾病的根源，如冠心病、中风、支气管肺发育不良和肺动脉高压。赵博士解释说，内皮细胞的基因组编辑甚至可以通过切断肿瘤的血液供应或阻断肿瘤转移来治疗癌症。

在这个阶段，赵博士和他的同事在一个小鼠模型上取得了优异的结果。携带CRISPR/Cas9质粒DNA的纳米颗粒通过一次性静脉注射引入，需要几天时间才能有效。临床试验开始前，必须进行临床前试验。

“我们用于基因组编辑和转基因表达的纳米颗粒输送系统也是心血管研究的一大进步，”赵博士补充道。

参考文献

Robust genome editing in adult vascular endothelium by nanoparticle delivery of CRISPR-Cas9 plasmid DNA

Xianming Zhang，Hua Jin，Xiaojia Huang, Daoyin Dong，Thomas P. Shanley，You-Yang Zhao