Nature Reviews Materials 綜述：基因組編輯機器體內遞送的工程材料

Nature Reviews Materials 綜述：基因組編輯機器體內遞送的工程材料

【背景與研究進展】

基因組編輯技術，如CRISPR-CAS9，有望治療許多無法治愈的遺傳疾病。目前離體基因組編輯已經取得了很大的進展。但是，有效、安全、可靶向的體內傳遞系統的開發仍然存在瓶頸。在體內高效安全的進行可控基因組編輯需要新的材料、傳遞方法和控制機制。因此，創新研發體內遞送系統以克服目前編輯效率低、非靶向性、低安全性以及缺乏細胞和組織特異性等問題是該領域的重要課題。

近日，萊斯大學生物工程系包剛教授在Nature Reviews Materials上發表題為“Engineered materials for in?vivo delivery of genome-editing machinery”的綜述文章。該文章總結了目前各種基因組編輯機器的體內傳遞方法，并對目前該領域面臨的挑戰和解決方案提出了展望。

【圖文簡介】

圖1 CRISPR-Cas9與基因組編輯機制

圖2 CRISPR-Cas9的遞送和表達方法

圖3 從體內系統循環到細胞核傳遞的生物屏障

圖4以病毒為載體的基因組編輯機器體內遞送

圖5基于工程材料的基因組編輯機器體內遞送實例

圖6 實現基因組編輯機器體內遞送高效率、高特異性和安全性的綜合性策略

【展望】

CRISPR-Cas9已經大大改變了基因組編輯領域，并有望在生物醫學諸領域掀起一場革命。然而，基因組編輯機器的體內傳遞仍然是一個挑戰，需要新的方法來實現體內基因組編輯的高傳遞效率、組織特異性和安全性。為此，我們可以綜合考慮一些重要的設計特性。例如，為了實現高效率基因組編輯，傳遞載體需要在系統循環期間顯著減少或防止CRISPR-Cas9系統的酶降解。這可以通過包裝載體以提高其在血液中的穩定性，及對gRNA和DNA模板進行化學修飾來實現。載體應避免被吞噬系統從體內的快速清除。這可以通過在用生物相容性好的聚合物（如聚乙二醇）涂層和與能夠涂層上加裝避免免疫反應逃的配體結合來實現。載體也應該能夠從血管中滲出。研究表明，通過靶向組織特異性配體，可以在肝和腫瘤以外的組織中實現轉運載體的外滲。在間質空間， 載體需要有效地遷移以到達組織中的靶細胞。通過優化納米顆粒的大小和涂層和/或通過酶降解修飾細胞外基質可以改善間質轉運。通過靶向激活內吞作用的細胞表面受體，可以增強納米粒的細胞攝取。在細胞內吞過程中， 載體需要通過用帶正電荷的聚合物等試劑破壞內體膜的穩定性，以將基因組編輯機器貨物釋放到胞漿中。 基于除了提供基機制外，提供試劑的病毒或非病毒的傳遞系統還可以提高基因組中目標基因座的可接近性，或賦予編輯細胞選擇性優勢（使其比未編輯細胞存活和生長更好），從而提高總體基因編輯效率。

為了提高組織特異性，載體可以與細胞特異性靶向配體結合。組織特異性也可以通過設計運載工具來實現，該運載工具可以被外部光、熱或磁場局部激活，或者對組織特異性微環境作出反應，例如PH值和酶活性。為了提高安全性，可以通過局部激活來防止CRISPR-Cas9的系統性傳遞。此外，自我刪除的AAV系統或具有自我刪除功能的其他類型的病毒載體可用來減少脫靶及免疫反應，從而提高安全性，同時保持其預定的編輯功能。通過優化劑量和/或限制CAS9活性的持續時間，可以減少或最小化CRISPR-Cas9的非靶向活性。除了通過傳遞Cas9 mRNA或Cas9–gRNA RNP來部分實現對Cas9活性的時間控制，也可以使用其他更精準的機制，例如使用小分子Cas9抑制劑或光。此外，可用生物相容性好和免疫反應低的材料，以盡量減少局部炎癥反應。最后，需要根據治療靶點、疾病狀態和靶組織特性設計基因組編輯機器的體內遞送。

? 為了使基于工程材料的載體在體內基因組編輯中實現高效、組織特異性和安全性，建模、模擬和計算分析可幫助其設計、評估和優化。此外，系統工程的方法可以幫助整合載體的不同功能。例如，可以設計一種可活化且生物相容的涂層，以保護基因組編輯機器，減少蛋白質吸附，并根據外部或內部信號釋放基因組編輯機器。多個配體可以結合到納米顆粒載體的表面，以同時改善組織特異性遞送、誘導細胞轉染和減少免疫系統的識別。

文獻鏈接：Engineered materials for in?vivo delivery of genome-editing machinery, 2019, Nature Reviews Materials, DOI: 10.1038/s41578-019-0145-9.