CRISPR — это мощный инструмент, способный переписать генетический код, лежащий в основе бесчисленных заболеваний. Он обещает революционизировать медицину. Однако пока учёные не научатся безопасно и эффективно доставлять механизм редактирования генов в нужные клетки и ткани, этот потенциал останется недостижимым.
Новое слово в наноструктурах
Химики Северо-Западного университета представили новый тип наноструктуры, который значительно улучшает доставку CRISPR и потенциально расширяет его возможности.
Эти крошечные структуры, называемые липидными наночастицами со сферическими нуклеиновыми кислотами (LNP-СНА), несут полный набор инструментов для редактирования CRISPR: ферменты Cas9, направляющую РНК и шаблон для восстановления ДНК, — всё это заключено в плотную защитную оболочку из ДНК.
Результаты лабораторных тестов
В лабораторных тестах на различных типах клеток человека и животных LNP-СНА проникали в клетки до трёх раз эффективнее, чем стандартные системы доставки липидных частиц, используемые для вакцин против COVID-19, вызывали гораздо меньшую токсичность и втрое повышали эффективность редактирования генов.
Новые наноструктуры также улучшили показатель успешности точного восстановления ДНК более чем на 60% по сравнению с текущими методами.
Исследование опубликовано
Исследование под названием «Общая стратегия редактирования генома с использованием липидных наночастиц со сферическими нуклеиновыми кислотами CRISPR» опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Путь к более надёжным генетическим лекарствам
Исследование прокладывает путь к созданию более безопасных и надёжных генетических лекарств и подчёркивает важность того, как структура наноматериала, а не только его ингредиенты, может определять его эффективность.
Этот принцип лежит в основе структурной наномедицины — новой области, которую возглавляет Чад А. Миркиным его коллеги из Северо-Западного университета, и которой занимаются сотни исследователей по всему миру.
Чад А. Миркиин, возглавлявший новое исследование, сказал: «CRISPR — это невероятно мощный инструмент, который может исправить дефекты в генах, снизить восприимчивость к заболеваниям и даже устранить их».
Нанотехнологии и наномедицина
Миркиин — профессор химии Джорджа Б. Ратмана в Колледже искусств и наук им. Вайнберга Северо-Западного университета; профессор химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии и материаловедения и инженерии в Школе инженерии Маккормика; профессор медицины в Медицинской школе Файнберга; исполнительный директор Международного института нанотехнологий и член Комплексного онкологического центра Роберта Х. Лурье Северо-Западного университета.
Доставка CRISPR
Когда механизм CRISPR достигает своей цели внутри клетки, он может отключать гены, исправлять мутации, добавлять новые функции и многое другое. Но сам по себе механизм CRISPR не может проникнуть в клетки. Для этого всегда нужен транспортный носитель.
В настоящее время учёные обычно используют вирусные векторы и липидные наночастицы (LNP) для выполнения этой функции. Вирусы, естественно, хорошо проникают в клетки, но они могут заставить организм человека выработать иммунный ответ, что приводит к болезненным или даже опасным побочным эффектам.
LNP, с другой стороны, безопаснее, но менее эффективны. Они имеют тенденцию застревать в эндосомах — компартментах внутри клетки, где они не могут высвободить свой груз.
«Только часть механизма CRISPR фактически попадает в клетку, и лишь малая часть достигает ядра», — сказал Миркиин.
Сферические нуклеиновые кислоты (СНА)
Чтобы преодолеть этот барьер, команда Миркина обратилась к СНА — глобулярным, а не линейным формам ДНК и РНК, ранее изобретённым в лаборатории Миркина в Северо-Западном университете. Сферический генетический материал окружает ядро наночастицы, которое может быть заполнено грузом.
Примерно 50 нанометров в диаметре, крошечные структуры обладают доказанной способностью проникать в клетки для адресной доставки. Семь терапий на основе СНА уже проходят клинические испытания на людях, включая фазу II клинических испытаний для лечения карциномы клеток Меркеля, разрабатываемую компанией Flashpoint Therapeutics, биотехнологическим стартапом на стадии клинических испытаний.
В новом исследовании команда Миркина начала с ядра LNP, несущего механизм CRISPR внутри. Затем они украсили поверхность частицы плотным слоем коротких нитей ДНК. Поскольку ДНК может взаимодействовать с поверхностными рецепторами клетки, клетки легко поглощают СНА.
ДНК также можно сконструировать с последовательностями, нацеленными на определённые типы клеток, что делает доставку более избирательной. «Простые изменения в структуре частицы могут кардинально изменить то, насколько хорошо клетка её поглощает», — сказал Миркиин. «Архитектура СНА распознаётся почти всеми типами клеток, поэтому клетки активно поглощают СНА и быстро их интернализируют».
После успешного синтеза LNP-СНА с грузом CRISPR Миркиин и его команда добавили их в клеточные культуры, которые включали клетки кожи, белые кровяные клетки, стволовые клетки костного мозга человека и клетки почек человека.
Затем команда наблюдала и измеряла несколько ключевых факторов: насколько эффективно клетки поглощали частицы, были ли частицы токсичны для клеток и успешно ли частицы доставляли ген.
Они также проанализировали ДНК клеток, чтобы определить, внёс ли CRISPR желаемые изменения в гены. В каждой категории система продемонстрировала свою способность успешно доставлять механизм CRISPR и обеспечивать сложные генетические модификации.
Далее Миркиин планирует дополнительно проверить систему на нескольких моделях заболеваний in vivo. Поскольку платформа является модульной, исследователи могут адаптировать её для широкого спектра систем и терапевтических применений.
Компания Flashpoint Therapeutics, занимающаяся биотехнологиями, выделившаяся из Северо-Западного университета, коммерциализирует технологию с целью быстрого продвижения её к клиническим испытаниям.
«CRISPR может изменить всю область медицины, — сказал Миркиин. — Но то, как мы разрабатываем транспортное средство для доставки, так же важно, как и сами генетические инструменты. Соединив две мощные биотехнологии — CRISPR и СНА, — мы создали стратегию, которая может раскрыть весь терапевтический потенциал CRISPR».