光触发释放CRISPR，光控脂质体递送实现基因编辑的时空控制 | 医麦黑科技
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2020年11月28日/医麦客新闻 eMedClub News/--CRISPR/Cas9技术自诞生以来，迅速发展，以其结构简单、操作容易和多样化的特点逐渐成为生命科学最热门的技术。目前已经广泛应用于基因治疗、核酸定位及核酸检测等领域。CRISPR/Cas9技术仅借助Cas9蛋白（Cas9核酸酶）和向导RNA（gRNA）即可实现对靶目标的基因编辑，然而，CRISPR/Cas9系统载体在释放Cas9蛋白和gRNA的过程中，时间上和空间上的可控性非常有限。
为此，来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）和多家科研机构的科学家们开发了一种光触发脂质体递送系统，使CRISPR/Cas9基因编辑获得高度的空间和时间控制，并且在细胞系和动物模型中得到了验证。研究成果为开发精准可控的治疗方法奠定了基础。研究论文于近日（2020年11月11日）发表在ACS Applied Materials and Interfaces期刊上，题为“Spatial and temporal control of CRISPR/Cas9-mediated gene editing delivered via a light-triggered liposome system”。
脂质体递送系统
悉尼UNSW大学的高级研究员，该研究的高级作者邓博士指出：“由于脂质体是常用且成熟的药物传递载体，它们比使用病毒要安全得多。CRISPR的传统运载工具是以病毒为基础的，但由于很难预测患者对病毒的反应，它们会产生自身的问题。”
脂质体是一种纳米材料，具有较高的装载能力；不具有基因组整合的风险，并且可以轻松避免非预期的免疫激活。此外，相比于病毒载体，非病毒载体递送（包括脂质、聚合物和其他纳米材料）能够避免插入毒性，并对剂量、持续时间和递送特异性具有严格的控制。但是，简单的脂质体只能被动释放CRISPR/Cas9，无法在空间或时间上对基因编辑进行控制。
这项研究开发的光触发脂质体平台通过690 nm LED光束（0.15 mW/cm2）照射组织表面来实现在空间或时间上的控制，并能够同时释放特定数量的Cas9核酸酶和相应数量的gRNA。
光触发脂质体递送系统
“脂质体相对容易制备。也可以在脂质体中装载适当的药物，注入体内。”邓博士指出，“与基于脂质体的传统递送系统不同，我们开发的脂质体可以在光照下开启。当光照射到脂质体上时，可以激活皮肤表面以下1厘米范围内的脂质体，并立即释放整个有效载荷，然后开始寻找相应的基因。”
研究人员在脂质体中装载了维替泊芬（一种光触发剂），测量了粒径大小和分布均匀度（图C），并表征了紫外可见吸收光谱和荧光光谱（图D）。
在经光触发脂质体递送系统处理的人肝细胞HEK293中，光照6分钟后，达到了最低的GFP表达水平（52.8%）。通过评估eGFP基因的靶向敲除效率，研究人员证明光触发脂质体递送系统在体外的高转染效率。此外，研究发现，HEK293细胞在显微注射装载Cas9-gRNA核蛋白（RNP）的光触发脂质体后，GFP荧光密度降低，达到靶向基因释放，这表明通过光照递送载体，具有在时间上控制CRISPR系统释放的潜力。
▲ 不同处理组GFP敲除效率的定量分析（图片来源：ACS）
在经光触发脂质体递送系统处理的斑马鱼胚胎中，通过评估体内eGFP报告系统在单细胞分辨率下的慢肌纤维靶向敲除效率（77%敲除），进一步验证了光触发脂质体递送系统在体内的高转染效率。除此之外，研究人员探究了脂质体纳米粒子浓度对CRISPR sgRNA光触发释放的影响。结果发现，虽然斑马鱼胚胎的死亡率随着浓度的升高而增加，但CRISPR光触发释放的效率未受到影响。
▲ 斑马鱼模型中，根据单细胞分辨率下敲除慢肌纤维数量测定的CRISPR/Cas9介导的敲除效率（图片来源：ACS）
结语
“CRISPR技术为开发靶向基因疗法和细胞疗法创造了非常有前景的基因编辑工具。它的疗效将随着不断优化的递送系统而大大提高，我们的研究成果也为开发更有效的CRISPR系统打下了基础。” 邓博士表示。
研究中的LED光束只能激活皮肤表面以下1厘米范围内的脂质体。对于深度超过1厘米的深层组织中的肿瘤，邓博士认为，未来的研究将使用X光来达到同样的效果。邓博士过去的研究已经表明，脂质体可以被X射线触发。
“要推进使用X射线光的研究，我们需要找到一种可以帮助我们将该技术转化为乳腺癌治疗等癌症治疗的动物模型。”邓博士正在寻找具有这种专业知识的合作者。
参考资料：
1.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c16380
2.https://www.genengnews.com/news/for-safer-more-targeted-crispr-delivery-shine-a-light-on-liposomes/