Nature Reviews Materials 综述：基因组编辑机器体内递送的工程材料

原创金也材料人

背景与研究进展

基因组编辑技术，如CRISPR-CAS9，有望治疗许多无法治愈的遗传疾病。目前离体基因组编辑已经取得了很大的进展。但是，有效、安全、可靶向的体内传递系统的开发仍然存在瓶颈。在体内高效安全的进行可控基因组编辑需要新的材料、传递方法和控制机制。因此，创新研发体内递送系统以克服目前编辑效率低、非靶向性、低安全性以及缺乏细胞和组织特异性等问题是该领域的重要课题。

近日，莱斯大学生物工程系包刚教授在Nature Reviews Materials上发表题为“Engineered materials for in vivo delivery of genome-editing machinery”的综述文章。该文章总结了目前各种基因组编辑机器的体内传递方法，并对目前该领域面临的挑战和解决方案提出了展望。

图文简介

图1 CRISPR-Cas9与基因组编辑机制

图2 CRISPR-Cas9的递送和表达方法

图3 从体内系统循环到细胞核传递的生物屏障

图4以病毒为载体的基因组编辑机器体内递送

图5基于工程材料的基因组编辑机器体内递送实例

图6 实现基因组编辑机器体内递送高效率、高特异性和安全性的综合性策略

展望

CRISPR-Cas9已经大大改变了基因组编辑领域，并有望在生物医学诸领域掀起一场革命。然而，基因组编辑机器的体内传递仍然是一个挑战，需要新的方法来实现体内基因组编辑的高传递效率、组织特异性和安全性。为此，我们可以综合考虑一些重要的设计特性。例如，为了实现高效率基因组编辑，传递载体需要在系统循环期间显著减少或防止CRISPR-Cas9系统的酶降解。这可以通过包装载体以提高其在血液中的稳定性，及对gRNA和DNA模板进行化学修饰来实现。载体应避免被吞噬系统从体内的快速清除。这可以通过在用生物相容性好的聚合物（如聚乙二醇）涂层和与能够涂层上加装避免免疫反应逃的配体结合来实现。载体也应该能够从血管中渗出。研究表明，通过靶向组织特异性配体，可以在肝和肿瘤以外的组织中实现转运载体的外渗。在间质空间，载体需要有效地迁移以到达组织中的靶细胞。通过优化纳米颗粒的大小和涂层和/或通过酶降解修饰细胞外基质可以改善间质转运。通过靶向激活内吞作用的细胞表面受体，可以增强纳米粒的细胞摄取。在细胞内吞过程中，载体需要通过用带正电荷的聚合物等试剂破坏内体膜的稳定性，以将基因组编辑机器货物释放到胞浆中。基于除了提供基机制外，提供试剂的病毒或非病毒的传递系统还可以提高基因组中目标基因座的可接近性，或赋予编辑细胞选择性优势（使其比未编辑细胞存活和生长更好），从而提高总体基因编辑效率。

为了提高组织特异性，载体可以与细胞特异性靶向配体结合。组织特异性也可以通过设计运载工具来实现，该运载工具可以被外部光、热或磁场局部激活，或者对组织特异性微环境作出反应，例如PH值和酶活性。为了提高安全性，可以通过局部激活来防止CRISPR-Cas9的系统性传递。此外，自我删除的AAV系统或具有自我删除功能的其他类型的病毒载体可用来减少脱靶及免疫反应，从而提高安全性，同时保持其预定的编辑功能。通过优化剂量和/或限制CAS9活性的持续时间，可以减少或最小化CRISPR-Cas9的非靶向活性。除了通过传递Cas9 mRNA或Cas9–gRNA RNP来部分实现对Cas9活性的时间控制，也可以使用其他更精准的机制，例如使用小分子Cas9抑制剂或光。此外，可用生物相容性好和免疫反应低的材料，以尽量减少局部炎症反应。最后，需要根据治疗靶点、疾病状态和靶组织特性设计基因组编辑机器的体内递送。

为了使基于工程材料的载体在体内基因组编辑中实现高效、组织特异性和安全性，建模、模拟和计算分析可帮助其设计、评估和优化。此外，系统工程的方法可以帮助整合载体的不同功能。例如，可以设计一种可活化且生物相容的涂层，以保护基因组编辑机器，减少蛋白质吸附，并根据外部或内部信号释放基因组编辑机器。多个配体可以结合到纳米颗粒载体的表面，以同时改善组织特异性递送、诱导细胞转染和减少免疫系统的识别。

文献链接：Engineered materials for in vivo delivery of genome-editing machinery, 2019, Nature Reviews Materials, DOI: 10.1038/s41578-019-0145-9.

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