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上海交大團隊發明VLP-mRNA遞送技術
2021-01-19 上海交通大學新聞學術網

  1月5日,上海交通大學系統生物醫學研究院的蔡宇伽團隊在《自然-生物醫學工程》(Nature Biomedical Engineering)雜志上發表了一篇題為:Lentiviral delivery of co-packaged Cas9 mRNA and a Vegfa-targeting guide RNA prevents wet age-related macular degeneration in mice的研究論文,發明了一種介于病毒載體與非病毒載體之間的類病毒體(virus-like particle, VLP)遞送技術。VLP可以遞送CRISPR/Cas9 mRNA, 實現安全和高效的體內基因編輯。值得一提的是,該技術是我國首個完全自主開發的原創型基因治療載體,體現了我國在基因治療領域的科技進步。

  自最早的基因編輯工具問世至今,基因編輯技術已經有近30年的歷史了。特別是2012年以來,隨著CRISPR的橫空出世,基因編輯技術日漸趨于成熟。然而遺憾的是,相對于基因編輯工具本身的快速進化,其遞送技術的發展極其緩慢和困難。而遞送之于基因編輯治療的重要性如同火箭之于登月。由于遞送技術的滯后發展,體內基因編輯治療的臨床應用困難重重,整個領域都在期待遞送技術的突破。

  諾獎得主Jennifer Doudna在2020年初給Nature雜志撰寫的綜述中,系統論述了基因編輯治療的前景和挑戰。在展望CRISPR美好應用前景的同時,這位今年的諾獎得主發出了‘遞送可能仍然是基因編輯體細胞治療的最大瓶頸’的感嘆(Delivery remains perhaps the biggest bottleneck to somatic-cell genome editing)。

  近幾年來,基因編輯工具本身的發展令人眼花繚亂,各種Cas9變體、堿基編輯工具及其變體、Prime Editor等,層出不窮。但是,這些工具的臨床應用必須回歸到遞送,而迄今為止可選的遞送工具還是有幾十年歷史的‘老三件’:AAV、慢病毒以及納米材料。盡管這些遞送載體廣泛用于基礎研究,但它們卻不適合直接用于臨床。基因編輯的臨床應用有著安全性和有效性的雙重標準。一方面,病毒載體由于長時間的表達基因編輯酶,會帶來安全性上的不確定性;另一方面,納米材料則面臨效率上的挑戰。2020年上半年,張峰作為創始人的著名基因編輯治療科技型企業Editas實施了首例人體基因編輯治療的臨床研究(Nature Biotechnology volume 38, page382(2020))。但由于該研究使用AAV作為載體,CRISPR將長期與患者共存,具有一定的風險。理想的基因編輯遞送工具需要兼具瞬時和高效的特點,以確保治療的安全性和有效性。

  慢病毒載體可以高效感染幾乎所有的細胞,而非病毒成分mRNA具有瞬時性的特點。蔡宇伽團隊利用mRNA莖環結構與噬菌體衣殼蛋白特異識別的原理,通過病毒工程技術,將兩者的優點完美的結合起來,創造了新型遞送技術VLP-mRNA。通過VLP-mRNA遞送Cas9 mRNA, Cas9的存在時間只有72小時。研究發現,與長時間表達Cas9的病毒系統相比,VLP mRNA可以顯著降低、甚至完全避免脫靶效應。另外,VLP mRNA可以遞送整個CRISPR元件(Cas9與gRNA),克服了AAV載體運載能力小的限制,甚至可以遞送更大的堿基編輯工具。

  蔡宇伽團隊研究人員還將VLP-mRNA技術用于眼科疾病的治療。老年性黃斑變性(AMD)是一種退行性眼底疾病。患者表現為中心視力下降、視物變形、周邊部或中心視野出現暗點,對老年人的生活 質量造成極大的影響。據統計,西方發達國家中 70 歲 以上的老年人罹患 AMD 者超過 40%。隨著我國老年人口日漸增多,黃斑變性的發病率也越來越高。另外,糖尿病患者也可能罹糖尿病相關黃斑變性,總體發病率在10%左右。目前,黃斑變性的治療方法是VEGF單克隆抗體。然而,抗體需要反復給藥;另外,抗體外溢可導致嚴重的并發癥。

  研究團隊利用激光誘導的小鼠黃斑變性模型,通過視網膜下腔注射的方式,發現CRISPR特異性的分布在視網膜色素上皮細胞(RPE),而RPE 細胞是眼內VEGF的主要來源。VLP遞送CRISPR實現了高達44%的vegfa基因敲除,降低了63%的新生血管面積。第二代測序表明VLP-mRNA未誘導出脫靶效應。對于此前報道的AAV遞送CRISPR引起的大片段缺失,研究團隊通過第三代測序,僅能發現勉強高于背景的信號。值得一提的是,VLP mRNA無論在體外還是在眼內,均未引起免疫反應。這些實驗結果有力支持了CRISPR在黃斑變性基因治療上的臨床應用潛力。

  總的來說,VLP-mRNA是一種通用型的、瞬時性的CRISPR遞送工具,兼具高效和安全的優點。該技術無疑將幫助CRISPR體內基因編輯治療時代的真正來臨,為無藥可治或有藥難治的遺傳性、獲得性以及感染性疾病的患者帶來新的希望。上海交通大學博士生凌思凱是本文的第一作者,上海交通大學附屬第一人民醫院眼科臨床醫學中心的楊仕琪博士、孫曉東教授也為本研究的完成做出了重要貢獻。復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院、瑞金醫院、中科院、丹麥奧胡斯大學的科學家參與了該研究。

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