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疾病与药物研究

我国首个原创型基因治疗载体问世,打通基因编辑体内治疗的最后一公里

2021年01月07日 浏览量: 评论(0) 来源:上海交大系统生物医学研究院 作者: 责任编辑:admin
摘要: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。

我国首个完全自主开发的原创型基因治疗载体。

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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《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。

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)。

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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。

蔡宇伽教授说:“实现基因编辑酶在体内的瞬时递送是我们基因治疗科学家的终极梦想。有了这样的载体,我们可以最大限度地提高基因编辑治疗的安全性,也意味着基因编辑体内治疗离临床应用无限接近。然而,实现这个梦想并不容易,也几乎没有人相信可以成功。我从博士生时代开始尝试, 到现在成为博士生的导师,经过10年的不断地探索与积累,直到最近才取得了核心突破。”

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。

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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。

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