脂质纳米颗粒递送完整CFTR基因：囊性纤维化基因治疗取得新进展

UCLA研究人员开发出一种基于脂质纳米颗粒（lipid nanoparticle, LNP）的基因编辑方法，能够将一条完整的健康基因插入人类气道细胞，在囊性纤维化的实验室模型中恢复关键生物学功能，并为遗传性肺病提供一种不依赖具体突变类型（mutation-agnostic）的基因治疗新路径。该研究发表在《Advanced Functional Materials》上，结果显示，脂质纳米颗粒可被工程化改造，用于携带实现精准插入一条大型全长基因所需的复杂分子“载荷”，并在不使用病毒载体（viral vectors）的情况下将其整合进基因组。

“这项工作表明，我们可以把精准基因插入所需的一切都封装进一个单一的、非病毒递送系统中。这是开发可覆盖多种致病突变的基因疗法迈出的关键一步。”研究资深作者、UCLA Broad Stem Cell Research Center的一名成员表示。

囊性纤维化由单个基因的突变引起，即囊性纤维化跨膜传导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator），或 CFTR。该基因编码一种通道蛋白，帮助氯离子和水分跨越气道细胞表面运输。当这一通道功能异常时，肺部黏液会变得浓稠黏滞，导致细菌被困并引发慢性感染与进行性肺损伤。尽管被称为CFTR调节剂（CFTR modulators）的高效药物已改变了许多囊性纤维化患者的治疗格局，但约10%的患者几乎不产生或完全不产生CFTR蛋白，使得这些药物无从发挥作用。

“对这些患者而言，基因治疗不只是改进——它确实是唯一的选择。”该研究一位共同作者、干细胞中心转化研究副主任说，“你首先必须让细胞具备制造这种蛋白的能力。”

由于可导致囊性纤维化的CFTR基因突变超过1,700种，研究团队希望开发一种通用策略：通过一次编辑即可纠正任意一种错误，而不是逐个突变分别处理。大多数实验性基因治疗依赖病毒载体将遗传物质递送至细胞内。尽管病毒方法递送能力强，但其生产成本可能较高、可携带的遗传物质容量有限，而且由于免疫系统可能识别并产生反应，往往难以重复给药。

UCLA团队转而采用脂质纳米颗粒作为非病毒递送系统。这些颗粒被工程化设计，可同时运输三种基因编辑组成部分：用于在特定位点切割DNA的 CRISPR machinery，用于靶向正确基因组位点的引导分子，以及一段编码完整、功能性CFTR基因拷贝的DNA模板。

该研究第一作者、UCLA Jonas实验室近期毕业的博士表示：“把所有这些装进同一个颗粒里——尤其是像CFTR这样大的基因——此前还没有被证明可行。若能解决‘大基因’难题，也将为许多其他疾病打开大门。”

研究人员在实验室培养的人气道细胞中测试了该系统，这些细胞携带一种对现有药物无反应的重度囊性纤维化突变。纳米颗粒成功将健康的CFTR基因递送并整合进约3–4%的细胞中。尽管被纠正的细胞比例相对较小，该治疗仍在整体细胞群体中将 CFTR通道功能恢复到正常水平的88%至100%。

研究人员称，这种强劲的功能恢复不仅取决于基因插入的位置，也与其工程化设计有关。替换用的CFTR基因在进入细胞后被设计为最大化蛋白产量，使得即便只有少量被纠正的细胞也能产生超出比例的效果。这种基因设计被称为 codon optimization，由UCLA某实验室的合作团队开发，可在不改变蛋白本身的情况下提升CFTR蛋白的生成。

与递送信使RNA（messenger RNA）的方法不同——后者必须反复重复给药——该新策略将纠正后的基因直接插入基因组，可能使细胞及其后代能够在较长时间内持续产生功能性CFTR。不过，要获得长期获益，基因编辑最终需要触达气道干细胞，它们位于肺部保护性内衬更深处，并在人的一生中不断再生气道组织。

“这些干细胞寿命长，并持续再生气道。”UCLA David Geffen School of Medicine的一位共同作者、同时担任儿科与肺科医学教授表示，“如果能纠正它们，从理论上讲，就能获得持续的健康细胞来源。”

而如何到达这些细胞仍是未来最大的挑战之一。气道的结构本就旨在阻挡外来颗粒，在囊性纤维化患者中，浓稠的黏液又形成了额外屏障。