新型递送方法将CRISPR基因编辑效率提升至最高90%

科学家公布了两种截然不同的突破性策略，可显著提升基因编辑与mRNA疗法的有效性，直击一个长期存在的难题：实验室中的成功往往难以转化为临床应用。

Biohub的研究人员发现，同时给予三种氨基酸——蛋氨酸（methionine）、精氨酸（arginine）和丝氨酸（serine）——可将治疗性载荷递送放大最高达20倍，并将体内CRISPR基因编辑效率从并不理想的25%提升至接近90%。这一发现堪称分子医学的分水岭，因为脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNPs）长期以来一直面临挑战：其在实验室中的惊艳表现难以在活体内获得同等成功。

由Daniel Zongjie Wang博士与Shana O. Kelley博士领衔的Biohub团队换了一个角度审视问题：不再只盯着纳米颗粒本身，而是把焦点放在调控膜相互作用的细胞环境与代谢状态上。当研究人员使用一种更贴近真实生理环境的人血浆样培养基进行建模时，细胞对LNP的摄取量骤降。进一步的代谢与遗传学分析锁定：氨基酸相关通路的减弱是关键瓶颈。

经优化的“鸡尾酒”仅由药用级蛋氨酸、精氨酸和丝氨酸组成——这三种氨基酸广泛存在，且被认为可安全用于临床——结果带来了颠覆性改变。该氨基酸补充剂显著增强了mRNA载荷在多种细胞类型中的摄取与功能性表达。无论采用何种给药途径——肌内、气管内或静脉内——这一效应都保持一致；且不受纳米颗粒脂质组成或遗传载荷类型的影响。

在机制层面，与氨基酸补充剂同步递送似乎会调控一条特定的细胞摄取通路，相当于有效“拓宽”脂质纳米颗粒进入细胞的“门道”。通过激活氨基酸代谢回路，细胞在代谢层面被预先“就绪”，从而更高效地内吞纳米载体并释放其治疗性载荷。

在对乙酰氨基酚（acetaminophen）诱导的急性肝衰竭临床前小鼠模型中，在以LNP包封的生长激素mRNA治疗基础上加入氨基酸补充剂，可将仅33%的低生存率提升为100%完全生存。如此显著的改善伴随着血清治疗性蛋白水平近9倍上升，以及肝损伤与炎症标志物恢复至接近健康基线。在以肺组织为靶点的基因编辑应用中，该补充剂在仅单次给药的情况下，就将CRISPR-Cas9编辑效率从典型的20%至30%范围推升至前所未有的85%至90%。

与此同时，由加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）基因编辑先驱、诺贝尔奖得主Jennifer Doudna领衔的团队开发了一种可自我复制的CRISPR系统，可像病毒一样在细胞间传播。科学家加入遗传指令，使细胞制造一种类病毒转运体，从而能够包裹CRISPR机器。一旦在已处理的细胞中被制造出来，这些CRISPR“货物”便会运送至邻近细胞。

该系统名为NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme，简称NANITE。它将载体分子与CRISPR机器的遗传指令整合到同一个环状DNA分子中。这可确保Cas9酶在细胞内生成时与递送蛋白发生物理联结。与此同时，这也意味着最终递送载体同样会包裹向导RNA（guide RNA），即将Cas9“拴”到其DNA靶点上的“嗅探器”。

NANITE如同一种“善意的病毒”，起初只“感染”少量细胞。进入细胞后，它指令每个细胞制造完整的CRISPR工具，将其打包，并继续传递给其他细胞。与标准CRISPR相比，这一升级版编辑器在体外培养细胞中的基因编辑效果约高出3倍。在一种遗传性代谢障碍小鼠中，它还能降低有害蛋白的水平，而原始版本在相同剂量下几乎无效。

基因编辑器有望通过覆盖或纠正疾病的遗传学根源来革新医学，但这些工具都受制于一个基本前提：必须有足够数量的细胞被成功编辑，以便压制其患病细胞“对手”。例如，为了控制镰状细胞病（sickle cell disease），治疗需要纠正约20%的造血干细胞。对于杜氏肌营养不良（Duchenne muscular dystrophy）这一导致肌肉无力的遗传病，需编辑超过15%的靶细胞。

一旦递送进入细胞，编辑机器通常局限于其最初进入的细胞。为弥补这一点，科学家往往提高剂量，但这会增加触发免疫攻击及产生脱靶基因编辑的风险。这两种新方法都为解决基因治疗递送中的这一根本性限制提供了潜在方案。