纳米颗粒基因编辑在囊性纤维化实验室模型中恢复CFTR功能
研究人员开发出一种脂质纳米颗粒基因编辑方法，可将完整CFTR基因插入气道细胞，并在囊性纤维化实验室模型中将通道功能恢复到正常水平的88%至100%。该策略无需病毒载体，但要实现持久的一次性治疗，仍需解决向气道干细胞递送的问题。
UCLA研究人员开发出一种基于脂质纳米颗粒的基因编辑方法，能够将完整的健康基因插入人体气道细胞，在囊性纤维化实验室模型中恢复关键生物学功能，并为遗传性肺部疾病提供了一条不受突变类型限制的基因治疗新路径。发表于Advanced Functional Materials的这项研究表明，无需使用病毒载体，也可将脂质纳米颗粒工程化，使其携带将大型全长基因精准插入基因组所需的分子载荷。
囊性纤维化由单个基因——囊性纤维化跨膜传导调节因子，即CFTR——发生突变所致。该基因编码一种通道，帮助氯离子和水分跨越气道细胞表面转运。尽管被称为CFTR调节剂的高效药物已显著改变了许多囊性纤维化患者的治疗现状，但约10%的患者几乎不产生或完全不产生CFTR蛋白，使这些药物无靶可作用。
由于CFTR基因中可导致囊性纤维化的不同突变超过1,700种，研究团队试图开发一种通用方法，通过一次编辑即可纠正任何一种错误，而非逐一单独修复。在这项研究中，团队使用脂质纳米颗粒作为非病毒递送系统，同时运输3种基因编辑组分：在精确位置切割DNA的CRISPR机制、用于靶向正确基因组位点的引导分子，以及编码完整功能性CFTR基因拷贝的DNA模板。
研究人员在实验室培养的人气道细胞中测试了该系统，这些细胞携带一种现有药物无应答的严重囊性纤维化突变。纳米颗粒成功将健康CFTR基因递送至约3%至4%的细胞中。尽管被纠正的细胞比例相对较小，但该治疗使整个细胞群体中的CFTR通道功能恢复到正常水平的88%至100%。
研究人员表示，这种恢复幅度之所以显著，不仅取决于基因插入的位置，也与其工程化设计方式有关。替代性的CFTR基因经过设计，可在进入细胞后最大限度提高蛋白产量，使得即使只有少量被纠正的细胞，也能产生超出比例的效果。这种被称为密码子优化的基因设计，在不改变蛋白本身的情况下提高了CFTR蛋白的产量。
与递送信使RNA的方法不同，后者必须反复多次给药，这一新策略是将纠正后的基因直接插入基因组，因此有望使细胞及其后代随着时间推移持续产生功能性CFTR。然而，要获得长期获益，基因编辑最终仍需到达气道干细胞。气道干细胞位于肺部保护性内衬深处，并在人的一生中不断再生气道。到达这些细胞仍是未来面临的最大挑战之一，因为气道本身就是为了阻挡外来颗粒而设计的，而在囊性纤维化患者中，黏稠黏液又形成了额外屏障。
研究人员将这项工作描述为概念验证，并表示未来研究需要改善向气道干细胞的递送，以实现持久、一次性的治疗。