CRISPR’s efficiëntie drievoudig in laboratoriumtests met DNA-gewikkelde nanodeeltjes

Met de kracht om de genetische code te herschrijven die ten grondslag ligt aan talloze ziekten, houdt CRISPR een enorme belofte aan om de geneeskunde een revolutie teweeg te brengen. Maar totdat wetenschappers zijn genbewerkingsmachines veilig en efficiënt in relevante cellen en weefsels kunnen leveren, blijft die belofte buiten bereik.

Nu hebben Northwestern University -chemici een nieuw type nanostructuur onthuld die de CRISPR -levering dramatisch verbetert en mogelijk de reikwijdte van het nut uitbreidt.

Deze kleine structuren worden lipide nanodeeltjes bolvormige nucleïnezuren (LNP-SNA’s) genoemd en dragen de volledige set CRISPR-bewerkingstools-CAS9-enzymen, leid RNA en een DNA-reparatiesjabloon-ingesloten in een dichte, beschermende schaal van DNA. Dit DNA-coating beschermt niet alleen zijn lading, maar het dicteert ook naar welke organen en weefsels naar de LNP-SNA’s reizen en maakt het gemakkelijker voor hen om cellen binnen te gaan.

In laboratoriumtests in verschillende soorten menselijke en dierlijke cellen, kwamen de LNP-SNA’s tot drie keer effectiever cellen binnen dan de standaard lipide-deeltjesafgiftesystemen die werden gebruikt voor COVID-19-vaccins, veroorzaakten veel minder toxiciteit en stimuleerde drievoudige gen-bewerkingsefficiëntie. De nieuwe nanostructuren verbeterden ook het slagingspercentage van precieze DNA -reparaties met meer dan 60% in vergelijking met de huidige methoden.

De studie, “Een algemene strategie voor het bewerken van genoom met behulp van CRISPR -lipide nanodeeltjes sferische nucleïnezuren,” wordt gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

De studie maakt de weg vrij voor veiliger, betrouwbaardere genetische geneesmiddelen en onderstreept het belang van hoe de structuur van een nanomateriaal – in plaats van alleen het ingrediënten alleen – de potentie ervan kan bepalen. Dit principe ligt ten grondslag aan structurele nanomedicine, een opkomend veld dat wordt ontwikkeld door Noordwest -Tsjaad A. Mirkin en zijn collega’s en achtervolgd door honderden onderzoekers over de hele wereld.

“CRISPR is een ongelooflijk krachtig hulpmiddel dat defecten in genen zou kunnen corrigeren om de gevoeligheid voor ziekten te verminderen en zelfs de ziekte zelf te elimineren,” zei Mirkin, die de nieuwe studie leidde.

“Maar het is moeilijk om CRISPR in de cellen en weefsels te krijgen die ertoe doen. Het bereiken en invoeren van de juiste cellen – en de juiste plaatsen binnen die cellen – equireert een klein wonder. Door SNA’s te gebruiken om de machines te leveren die nodig is voor het bewerken van genen, wilden we CrisPR’s efficiëntie maximaliseren en het aantal cel- en weefseltypen uit te breiden die we kunnen leveren.”

Een nanotechnologie en nanomedicine pionier, Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar chemie aan het Weinberg College of Arts and Sciences van Northwestern; Hoogleraar chemische en biologische engineering, biomedische engineering en materiaalwetenschappen en engineering aan de McCormick School of Engineering; Hoogleraar geneeskunde aan de Feinberg School of Medicine; Uitvoerend directeur van het International Institute for Nanotechnology; en lid van het Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center van Northwestern University.

CRISPR heeft een rit nodig

Wanneer CRISPR -machines zijn doel in een cel bereikt, kan het genen uitschakelen, mutaties repareren, nieuwe functies toevoegen en meer. Maar CRISPR -machines kunnen op zichzelf niet cellen binnenkomen. Het heeft altijd een bezorgvoertuig nodig.

Momenteel gebruiken wetenschappers meestal virale vectoren en lipide nanodeeltjes (LNP’s) om deze functie uit te voeren. Natuurlijk goed in cellen sluipen, virussen zijn efficiënt, maar ze kunnen ertoe leiden dat het menselijk lichaam een ​​immuunrespons opzet, wat leidt tot pijnlijke of zelfs gevaarlijke bijwerkingen.

LNP’s daarentegen zijn veiliger maar inefficiënt. Ze hebben de neiging om vast te zitten in endosomen, of compartimenten in de cel, waar ze hun lading niet kunnen vrijgeven.

“Slechts een fractie van de CRISPR -machines komt daadwerkelijk in de cel en zelfs een kleinere fractie maakt het helemaal in de kern,” zei Mirkin.

“Een andere strategie is om cellen uit het lichaam te verwijderen, de CRISPR -componenten te injecteren en vervolgens de cellen weer in te zetten. Zoals je je kunt voorstellen, is dat extreem inefficiënt en onpraktisch.”

Een met DNA verwekte taxi

Om deze barrière te overwinnen, wendde het team van Mirkin zich tot SNAS, die bolvormig zijn – in plaats van lineair – vormen van DNA en RNA die eerder in het laboratorium van Mirkin in Northwestern zijn uitgevonden. Het sferische genetische materiaal omringt een kern van nanodeeltjes, die met lading kan worden vol met lading.

Ongeveer 50 nanometer in diameter, hebben de kleine structuren een bewezen vermogen om cellen binnen te gaan voor gerichte afgifte. Zeven op SNA gebaseerde therapieën bevinden zich al in klinische proeven van mensen, waaronder een fase II klinische studie voor Merkel-celcarcinoom die wordt ontwikkeld door Flashpoint Therapeutics, een startup voor biotechnologie in klinische fase.

In de nieuwe studie begon het team van Mirkin met een LNP -kern met de CRISPR -machines binnen. Vervolgens versierden ze het oppervlak van het deeltjes met een dichte laag korte strengen DNA. Omdat het DNA kan interageren met de oppervlaktereceptoren van een cel, absorberen cellen gemakkelijk SNA’s. Het DNA kan ook worden ontworpen met sequenties die zich richten op specifieke celtypen, waardoor levering selectiever wordt.

“Eenvoudige veranderingen in de structuur van het deeltje kunnen dramatisch veranderen hoe goed een cel het opneemt,” zei Mirkin. “De SNA -architectuur wordt herkend door bijna alle celtypen, dus cellen nemen de SNA’s actief op en internaliseren ze snel.”

Over de hele linie verhoogde de prestaties

Na succesvol te synthetiseren van LNP-SNA’s met CRISPR-lading, voegden Mirkin en zijn team ze toe aan cellulaire culturen, waaronder huidcellen, witte bloedcellen, stamcellen van menselijke beenmerg en menselijke niercellen.

Vervolgens heeft het team verschillende belangrijke factoren waargenomen en gemeten: hoe efficiënt de cellen de deeltjes hadden geïnternaliseerd, of de deeltjes giftig waren voor cellen en of de deeltjes met succes een gen leverden.

Ze analyseerden ook het DNA van de cellen om te bepalen of CRISPR de gewenste genbewerkingen had gemaakt. In elke categorie toonde het systeem zijn vermogen aan om CRISPR -machines met succes te leveren en complexe genetische modificaties mogelijk te maken.

Vervolgens is Mirkin van plan het systeem verder te valideren in meerdere in vivo ziektemodellen. Omdat het platform modulair is, kunnen onderzoekers het aanpassen voor een breed scala aan systemen en therapeutische toepassingen.

Northwestern Biotechnology Spin-Out Flashpoint Therapeutics commercialiseert de technologie met als doel deze snel te verplaatsen naar klinische proeven.

“CRISPR zou het hele medicijngebied kunnen veranderen,” zei Mirkin. “Maar hoe we het bezorgvoertuig ontwerpen is net zo belangrijk als de genetische hulpmiddelen zelf. Door met twee krachtige biotechnologieën te trouwen – CRISPR en SNAS – hebben we een strategie gecreëerd die het volledige therapeutische potentieel van CRISPR zou kunnen ontgrendelen.”