短短几年，基因编辑技术的问世让很多遗传性疾病患者看到了一次性治愈的曙光。例如，一项基于CRISPR基因编辑的创新疗法，通过改造骨髓中的造血干细胞，已经让第一批接受治疗的β地中海贫血（TDT）患者和镰状细胞贫血病（SCD）患者摆脱长期输血治疗。令人惊叹的临床试验结果让我们有望在今年迎接首个获批上市的CRISPR基因编辑疗法。
为了让基因编辑疗法更有效、更安全、也更方便和经济，造福更多患者，这一领域的研究人员已经朝下一个目标迈进了一大步。顶尖学术期刊《科学》的最新一期上，费城儿童医院（Children’s Hospital of Philadelphia）和宾夕法尼亚大学医学院的研究团队利用脂质纳米颗粒（LNP）包装基因编辑工具，就像注射mRNA疫苗一样，将mRNA送入小鼠体内，成功实现了在体直接编辑造血干细胞。《科学》同期发表的专家评述指出，“这项研究让我们看到，未来很有可能通过一次性递送mRNA编码的基因编辑工具（如CRISPR）在体内开展基因工程，规避体外造血干细胞基因治疗的限制。”
前面提到的基因疗法在治疗镰状细胞贫血病和β地中海贫血等血液病时，医生需要先从患者的血液中取出骨髓细胞，然后在实验室中用基因编辑技术来破坏造血干细胞中的特定基因，使其重新制造婴儿时期表达的胎儿血红蛋白，然后将这些经过体外编辑的细胞重新输注回患者体内，替代患者体内有缺陷的血细胞发挥作用。而在把基因编辑过的细胞输回体内之前，与传统的骨髓移植方案一样，患者必须接受大剂量的化疗或放疗，尽量先把体内有缺陷的造血干细胞杀死，以便腾出空间给新的干细胞。这一步对于患者来说不仅难熬，而且对肺、肝等有毒副作用的风险。新开发的“体内”基因编辑疗法，则有望省去这个痛苦的步骤。研究人员设想的方法是，将编码基因编辑器或其他蛋白的mRNA装在脂质纳米颗粒中，把这些小颗粒注入体内，让它们去找造血干细胞，然后释放负载直接对其进行改造。
▲体外基因编辑造血干细胞再移植（左）与通过脂质体在体内直接靶向造血干细胞递送mRNA（右）的比较（图片来源：参考资料[2]）这种方法有点像注射mRNA疫苗。事实上，这支研究团队的主要成员也包括了mRNA疫苗研究的先驱Drew Weissman教授。不过，用于预防COVID-19的mRNA疫苗中，脂质纳米颗粒在体内并不靶向特定细胞或器官，而现在，研究人员让它们有了专门靶向造血干细胞的能力。为此，研究人员在脂质纳米颗粒表面装上了“导航”——CD117抗体，用于识别造血干细胞表面的受体。在多项测试实验中，利用CD117/LNP封装不同报告基因的mRNA，结果均显示这套系统可以成功实现体内mRNA表达和基因编辑。
▲小鼠实验中，从报告基因的表达来看，CD117/LNP成功将封装的mRNA递送到了造血干细胞（图片来源：参考资料[1]）随后，研究人员测试了这种方法是否可用于治疗基因突变导致的血液病。这一次，CD117/LNP封装的mRNA编码的是Cas9基因编辑器，可以针对导致镰状细胞贫血病的血红蛋白突变，将其修改为非致病形式。利用镰状细胞贫血病患者捐献的细胞进行体外测试，研究人员看到，CD117/LNP能促进高效碱基编辑，使功能性血红蛋白的比例增加到了91.7%，而有缺陷的镰刀状血细胞几乎完全消失。论文中指出，参考已有的基因疗法试验结果，这一编辑效率已经达到功能性治愈该类疾病所需的水平。研究人员还利用这套CD117/LNP封装了另一种mRNA，编码的是一种促进细胞死亡的蛋白质PUMA。研究人员期望利用这套系统的靶向递送能力，让体内原有的造血干细胞耗竭，而无需在移植前再用化疗或放疗的方法进行清空，避免放化疗对其他器官的毒性。在小鼠身上开展的概念性验证实验结果显示，注射CD117/LNP-PUMA能在造血干细胞移植之前有效耗竭造血干细胞，从而成功输注和吸收新的健康骨髓细胞，并且从健康细胞的移植比例来看，也达到了以往文献中用于治疗相关血液病的移植效率。
▲利用CD117/LNP递送促凋亡分子PUMA，可以在小鼠体内耗竭造血干细胞，用于移植（HSCT）前准备（图片来源：参考资料[1]）研究论文的第一作者Laura Breda博士兴奋地表示：“这些发现可能会改变基因疗法，因为不仅可以在体内对特定细胞类型进行基因编辑，而且风险更低，可以对造血干细胞进行以前做不到的操作，同时这套系统还可以经过适当的调整，用于纠正其他多种单基因疾病。”论文共同通讯作者Stefano Rivella教授则指出，“一劳永逸”地在体内直接用修正的血细胞替换病变细胞，是在治疗遗传疾病的思路上向前迈出的一大步，可以扩大基因疗法的使用范围，让最需要的患者从基因疗法中获益。当然，从小鼠实验到最终应用于人体，我们还有很长的路要走。
参考资料：
[1] Laura Breda et al., (2023) In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery. Science Doi: 10.1126/science.ade6967
[2] Samuele Ferrari & Luigi Naldini (2023) A step toward stem cell engineering in vivo. Science Doi: 10.1126/science.adj0997
[3] CHOP and Penn Medicine researchers develop “in vivo” RNA-based gene editing model for blood disorders. Retrieved July 28, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/996530
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