▎药明康德内容团队编辑
基于CRISPR技术的基因组编辑已经对基因治疗领域产生了深远影响，为精准靶向和修饰特异性基因，从而为治疗遗传性疾病提供了无限的可能性。然而，这些疗法的成功不仅取决于基因编辑器本身的性能，还取决于将其准确递送至目的细胞的能力，同时确保不引发预期之外的免疫反应。近日，基因编辑领域先驱张锋教授于《自然》杂志子刊Nature Reviews Drug Discovery联合发表了一篇综述文章，详细阐述了目前为CRISPR基因组编辑技术所采用的各类递送策略，其中主要讨论了如腺相关病毒（AAV）和脂质纳米颗粒（LNP）这类已经被广泛研究的递送系统，同时也概述了一些在临床前研究中展现出巨大潜力的新型递送策略。在今天的文章中，药明康德研究团队将为读者解读该综述中的精彩内容。
基于CRISPR的基因编辑技术采用特异性的引导RNA（gRNA）来识别目标DNA序列，而后通过Cas9酶实施切割。一旦DNA被切割，细胞的固有修复机制将被启动，并通过该机制引入基因的特定变化，如突变碱基的修正或不必要序列的删除。基于CRISPR的基因编辑器具有治疗广泛的遗传疾病的潜力，包括遗传性疾病和某些类型的癌症。此外，这项技术可以通过病毒的遗传信息，被用于研发针对HIV和乙型肝炎等传染性疾病的治疗方案。目前，基于CRISPR的基因编辑技术已成为基础研究的重要工具，助力科研人员深入研究特定基因的功能以及其在疾病进程中的角色。由于基于CRISPR基因编辑技术的疗法涉及将外源性遗传物质注入体内，这有可能诱发免疫应答并引起潜在的毒副作用。因此，靶向性的药物递送系统在确保基因编辑技术达到其目标细胞并安全发挥作用时显得尤为关键。考虑到不同的细胞和组织可能对递送方式有着特定的需求，为基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发一套多样化且可针对具体应用的递送系统是至关重要的。总体而言，高效的药物递送策略是充分发挥基于CRISPR的基因组编辑技术在遗传病等疾病治疗和基础研究中潜力的核心环节。当前，最常见的一类基因组编辑器是CRISPR-Cas9系统，它也是第一个被设计用于人类细胞的基因编辑系统。Cas9酶在与gRNA互补的靶位点切割产生DNA双链断裂（DSB），在人类细胞中，这些DNA双链断裂可以通过非同源末端接合（NHEJ）机制进行修复，这一过程通常会导致基因功能的丧失。早期临床数据表明，NHEJ介导的基因敲除降低了致病蛋白的表达。靶向DSB也可以通过宿主细胞的内源同源修复机制进行修复，从而导致其与外源性模板DNA的整合。当前，Cas9已经被改造以实现其他基因组操作。例如通过使来自酿脓链球菌的Cas9催化残基发生突变，Cas9可以转化为可编程的DNA结合蛋白，这类突变体Cas9蛋白可以减少靶基因转录，将其与转录抑制因子相融合，可以产生CRISPR干扰系统；同样地，当突变体Cas9蛋白与转录激活因子相融合，可被用于靶向转录激活。除了CRISPR-Cas9系统，碱基编辑器（base editor）和先导编辑器（prime editor）也是近年来备受瞩目的新型基因编辑系统。不同于CRISPR-Cas9系统，碱基编辑技术不仅可以在不切断双链DNA的情况下，将基因组序列上的碱基转变为其他碱基类型，还可以精准在基因组中插入或切除DNA序列，为更安全和精准地修改基因组提供了强有力的工具。先导编辑技术同样也不会引发双链DNA断裂，它采用“搜索-替换”策略，从而大幅减少编辑位点副产物和脱靶效应。除此之外，这一策略可以在基因组中的几乎任位置进行不同序列编辑，可以纠正所有12种类型的单碱基对点突变，并适用于多种细胞和器官类型。许多其他的CRISPR系统也被设计用于人类细胞。这些系统包括其他Cas9家族同源物——例如金黄色葡萄球菌Cas9（SaCas9）和脑膜炎奈瑟菌Cas9（NmeCas9）。此外还有其他DNA核酸内切酶（例如Cas12）和RNA核酸内切酶（例如Cas13）——RNA核酸内切酶构成了两个转录组编辑平台REPAIR和RESCUE的基础。这些技术共同构成了解决各种人类疾病的丰富工具。总体而言，尽管每种基因编辑技术都具有其独特的优势和局限性，但它们都共同面临一个核心挑战：为了充分发挥其治疗潜力，必须确保其在人体内被安全、有效地递送至目标位置。有几种不同的递送系统可用于将基于CRISPR的药物传递到靶向细胞和组织。其中，目前已步入临床的两种递送系统是AAV和LNP。AAV是小型、非致病性病毒，可以通过工程设计携带CRISPR基因编辑器并将其递送到靶细胞。AAV具有几个优点，比如，它们能够同时感染分裂和非分裂细胞，并且具有较低的免疫原性，此外它们还能够实现长期的基因表达。目前AAV已被用于治疗遗传病的几项临床试验。
AAV在其反向末端重复序列之间携带转基因，它无法携带长度大于4.7 kb的转基因。研究人员尝试通过改造AAV的表达元件——包括启动子，增强子和多聚腺苷酸化信号序列，通过减少这些元件的大小来增加其潜在载荷，同时将转基因的表达限制在特定的组织或细胞类型。除此之外，研究人员还在尝试分离出可编码具有治疗性能的“微小蛋白”，以减少转基因载荷的大小。这一策略的应用实例是杜氏肌营养不良症（DMD）的基因疗法，通过生成截短但仍具有功能的抗肌萎缩蛋白，为DMD患者恢复抗肌萎缩蛋白功能。基于这一策略，已有数款DMD疗法获批或进入临床试验阶段。在使用AAV递送CRISPR-Cas9编辑器时，载荷大小是一个重要的考量因素。为适应载荷容量限制，研究人员尝试使用比常规Cas9酶尺寸更小的Cas9蛋白，如SaCas9和Nme2Cas9（一种紧凑的Cas9变体）以减少载荷大小，实现在一个单独的AAV中容纳CRISPR-Cas9系统的所有组件。其他的潜在Cas9酶替代物还有Cas12和Cas13，基于这些酶的基因组编辑器已在动物模型中开展相关研究。除了上述方法，为绕开4.7 kb的载荷包装限制，另一策略是将有效载荷分割为两个独立的构建体，随后利用两个AAV同时递送至同一细胞。为达成此目标，研究者们已经尝试采用了重叠AAV载体、反式剪接载体，以及分裂内含肽（split inteins）等技术。LNP是另一种用于递送基于CRISPR的药物的递送系统。这些纳米颗粒由脂质构成，可以有效封装CRISPR基因编辑组件，确保其在血液循环中不被迅速降解。尽管基于病毒载体的递送系统已经成功地将CRISPR药物输送到患者体内，但其疗效可能仍然受到预先存在的免疫应答、有效载荷大小限制、无法重复给药以及潜在的长期基因过度表达等因素的限制。这些局限性催生了对包括LNP-mRNA药物在内的非病毒递送系统的进一步研究。LNP的安全性、有效性和趋向性取决于其纳米级的精确结构。因此，研究人员已经创建了一系列多样化的LNP化学构型，并对其在递送基因编辑药物方面的潜力进行了评估。
在LNP介导的基因编辑的临床前模型研究中，已有若干研究确凿地展示了通过LNP将基于CRISPR的基因编辑器递送到体内目标细胞的能力，从而实现有效的体内基因编辑。以某项临床前研究为例，研究者使用LNP向非人灵长类动物和小鼠模型递送靶向PCSK9基因的碱基编辑器VERVE-101。研究发现，单次注射携带有编辑器的LNP可使低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平降低69%，血液中的PCSK9蛋白降低83%，此效果可维持达476天，并且无脱靶事件或免疫反应的迹象。类似地，针对ANGPTL3基因的碱基编辑疗法VERVE-201在另一项研究中也表现出色。为了增强对肝细胞的定向性，LNP颗粒表面被修饰以包含N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）。在对非人灵长类动物模型进行的单次给药研究中，VERVE-201对循环中的ANGPTL3蛋白表现出了显著的抑制效果。具体而言，给药后90天，ANGPTL3水平平均下降了80%以上，并在给药后616天时达到了96%的降低率。这些发现表明，LNP可能是基于CRISPR的基因编辑器的有效递送系统，并为基于LNP的遗传疾病疗法的临床试验铺平了道路。目前，VERVE-101已经完成首位患者给药，VERVE-201预计在2024年开始进行临床试验。
除了AAV和LNP之外，当前正在开发的用于递送基于CRISPR药物的递送系统涵盖了多种策略，其中包括病毒性载体（如慢病毒载体）；同时，非病毒性的递送系统，包括聚合物纳米颗粒、金纳米颗粒，以及基于人逆转录病毒样蛋白PEG10的载体和病毒样颗粒（VLPs）也受到了广泛的研究关注。不同的递送系统各具特点，均带有一定的优势和局限性。因此，选择何种递送系统需要基于特定的应用背景以及所追求的疗效结果。目前，多种采用不同递送系统、基于CRISPR基因编辑技术的疗法已经在临床试验中进行测试，其中不仅包括基于CRISPR技术的基因编辑疗法，还有其他种类的基因和细胞疗法，这些疗法为众多遗传性疾病患者提供了全新的治疗前景和希望。▲部分处于临床开发阶段的基于CRISPR基因编辑技术的疗法盘点（药明康德内容团队制图，信息来源：参考资料[1]，Cortellis数据库）针对基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发有效的药物递送系统是一个复杂且至关重要的任务，涉及多个关键的考虑因素和挑战。首要的难点是保证递送系统可以精准地靶向特定的细胞和组织，同时最小化脱靶效应。这一目标需要通过精细的递送系统工程设计来实现，如选取合适的靶向配体和优化有效载荷，确保正确、准确地将其递送到目标位置。递送系统的安全性也是至关重要的考虑因素，特别是其潜在的毒性和触发的免疫反应。例如，尽管某些病毒载体在药物递送上具有优势，但它们可能会激发体内的免疫反应，进而影响疗法的效果和安全性。此外，长时间的核酸酶表达也可能会增加健康风险，因此，在疗法进入临床试验之前，对其在临床前模型中的安全性进行深入评估是至关重要的。此外，技术上的难题也不可忽视。CRISPR-Cas系统因其本身的大小和复杂性，可能不适用于某些递送策略，如某些病毒载体。这可能要求我们对CRISPR-Cas系统的结构和大小进行优化，确保它可以被选用的递送系统高效携带。最后，现阶段将基因编辑组件传递到肝外组织仍具挑战性，尽管如此，一些靶向非肝组织的纳米粒子的设计已在临床前研究中取得了进展，未来仍需进行更深入的研究。综上所述，基于CRISPR的疗法在开发药物递送系统时需要考量多方面的因素，从靶向特异性、安全性到技术实现难度。虽然前方挑战重重，但随着递送系统工程技术和临床前研究的持续进展，这些挑战将被一一攻克，使基于CRISPR的治疗策略更快地走向临床实践。为基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发高效的药物递送系统是一项充满挑战的任务，不仅需要对多种复杂因素进行综合考虑，还涉及对不同层面的科学问题进行深入研究。尽管开发过程中存在诸多技术难关，但最新的递送系统工程技术和临床前研究进展已经为基于CRISPR的疗法朝向临床应用迈进提供了积极信号。另外，随着基因编辑的递送策略及载荷的不断优化，肝外组织的靶向递送极有可能成为下一个焦点。值得强调的是，针对特定组织的高效递送技术可以为众多遗传疾病提供新的治疗策略，这得益于基于CRISPR的疗法所具备的广泛基因调控潜能。这些疗法的模块化设计及其在临床上的广泛应用前景，使得对基因编辑器与递送系统间互动机制的研究变得尤为关键。鉴于递送系统在技术上的持续创新和完善，我们相信，基因编辑技术与个体化医疗领域将迎来更大的发展潜力。基于CRISPR技术开发的药物凭借其对遗传靶标的精准调控能力，有潜力引领遗传性疾病治疗的创新革命，进而推动医学领域整体走向一个新纪元。
▲欲了解更多前沿技术在生物医药产业中的应用，请长按扫描上方二维码，即可访问“药明直播间”，观看相关话题的直播讨论与精彩回放
参考资料：
[1] Madigan, V., Zhang, F. & Dahlman, J.E. Drug delivery systems for CRISPR-based genome editors. Nat Rev Drug Discov (2023). https://doi.org/10.1038/s41573-023-00762-x
免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权请在「药明康德」微信公众号回复“转载”，获取转载须知。