利用CRISPR-Cas9技術(shù)進(jìn)行癌癥治療一直受到腫瘤編輯效率低和現(xiàn)有遞送系統(tǒng)潛在毒性的阻礙。近期，特拉維夫大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種安全有效的基于脂質(zhì)納米顆粒的CRISPR-Cas9給藥系統(tǒng)，特異性靶向癌細(xì)胞。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和卵巢癌模型小鼠中，體內(nèi)編輯率達(dá)70%–80% ，總生存率最高提升至80%。相關(guān)研究成果于11月18日發(fā)表在Science Advances上。

圖片來源：Science Advances

Cas9核酸酶由單鏈向?qū)NA（sgRNA）引導(dǎo)，通過誘導(dǎo)序列特異性雙鏈斷裂（double-strand break, DSB）來修飾特定染色體DNA序列。然而，Cas9（160 kDa，4300個堿基）和sgRNA（約31 kDa，130個堿基）的大尺寸是傳統(tǒng)病毒和非病毒遞送系統(tǒng)的障礙。此外，目前用于非肝臟組織和腫瘤的遞送系統(tǒng)只能導(dǎo)致相對較低的基因編輯率。為了有效地治療癌癥，需要更高的編輯效率。

脂質(zhì)納米顆粒（LNP）是臨床認(rèn)可的非病毒核酸遞送系統(tǒng)，能夠運(yùn)輸較大的有效載荷。可電離陽離子脂質(zhì)是LNP的關(guān)鍵成分，它能有效地進(jìn)行核酸包裹、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)和內(nèi)體釋放。為了克服目前可用的LNP制劑的載貨限制，LNP被設(shè)計(jì)使用新穎的可電離氨基脂質(zhì)庫的可電離陽離子脂質(zhì)來共包封Cas9 mRNA和sgRNA（下圖A）。經(jīng)過一系列比較，L8-cLNP性能最優(yōu)，被選擇進(jìn)行進(jìn)一步研究（下圖B）。

（A）CRISPR LNP（cLNP）的制備示意圖。一種基于微流控的脂質(zhì)混合法構(gòu)建包裹Cas9 mRNA和sgRNA的cLNP。

（B）從文庫中篩選出的可電離氨基脂質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（來源：Science Advances）

為評估CRISPR LNP（cLNP）對癌癥的治療潛力，首先需要解決CRISPR-Cas9療法的兩個主要問題，即潛在毒性和免疫原性。一項(xiàng)初步研究評估了小鼠靜脈注射L8-cLNP 包裹的綠色熒光蛋白（GFP）sgRNA （sgGFP-cLNP）（1mg/kg）后24小時(shí)的肝臟毒性、 血球計(jì)數(shù)和血清炎性細(xì)胞因子。結(jié)果沒有顯示明顯的毒性臨床癥狀。盡管臨床前開發(fā)需要更廣泛的潛在毒性評估，但這些結(jié)果表明，L8-cLNP在以治療相關(guān)劑量全身給藥時(shí)沒有毒性或免疫原性。

在體外實(shí)驗(yàn)觀察到了較高的基因編輯效率后，為了評估其是否能轉(zhuǎn)化為體內(nèi)治療效果，科學(xué)家們在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和轉(zhuǎn)移性卵巢癌模型小鼠中進(jìn)行進(jìn)一步研究。

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最具侵襲性的腦癌，診斷后預(yù)期壽命為15個月，5年生存率僅為3%。研究證明，在小鼠侵襲性原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中單次腦內(nèi)注射抗PLK1的CRISPR LNP（sgPLK1-cLNP）可使體內(nèi)基因編輯率達(dá)到70%左右，顯著降低腫瘤生長，中位生存期延長約50%，總體生存率提高至30%（下圖H）。

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型小鼠的基因編輯治療（來源：Science Advances）

對于大多數(shù)腫瘤，特別是轉(zhuǎn)移性或血液學(xué)腫瘤，治療策略需要全身給藥。然而，大多數(shù)LNP被困在肝臟和其他中樞器官中，在全身注射后不能被腫瘤細(xì)胞有效吸收。細(xì)胞靶向基因編輯策略可以增強(qiáng)對腫瘤細(xì)胞的基因編輯能力，降低對非目標(biāo)細(xì)胞的毒性和編輯。

為了到達(dá)散發(fā)性腫瘤中，cLNP也被設(shè)計(jì)成抗體靶向遞送。在轉(zhuǎn)移性卵巢癌模型小鼠腹腔注射EGFR靶向sgPLK1-cLNP可使其被選擇性攝取到散發(fā)性卵巢腫瘤中，體內(nèi)基因編輯率高達(dá)80%，總體生存率提高至80%。

卵巢癌模型小鼠的基因編輯治療（來源：Science Advances）

科學(xué)家們指出，通過展示治療兩種侵襲性癌癥的潛力，這項(xiàng)新技術(shù)為治療其他類型的癌癥以及罕見的遺傳病和艾滋病等慢性病毒性疾病開辟了新的可能。

領(lǐng)導(dǎo)該研究的Dan Peer教授說：“這種新療法可能需要一段時(shí)間才能用于人類，但我們對此持樂觀態(tài)度?；趍RNA的藥物正在蓬勃發(fā)展，事實(shí)上，目前正在開發(fā)的大多數(shù)COVID-19疫苗都是基于這一原理。12年前，當(dāng)我們第一次談到用mRNA進(jìn)行治療時(shí)，人們認(rèn)為這是科幻小說。相信在不久的將來，我們將看到許多基于基因信使的個性化療法被用于治療癌癥和遺傳疾病。通過特拉維夫大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓公司Ramot，我們已經(jīng)在與跨國公司和基金會進(jìn)行洽談，旨在用基因編輯技術(shù)造福人類。”

參考資料：

1# Revolutionary CRISPR-based genome editing system treatment destroys cancer cells（來源：medical press）

2# Daniel Rosenblum et al, CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy, Science Advances (2020) DOI: 10.1126/sciadv.abc9450