造血干细胞（HSC）可分化为多种免疫细胞和红细胞。因此，HSC的遗传异常可导致多种血液病，包括镰状细胞病、β-地中海贫血、癌症以及原发性免疫缺陷症等。尽管已有向骨髓（BM）递送药物和核酸的报道，但由于HSC的低频和静止状态、其微环境的调控以及病变和恶性干细胞对治疗干预的敏感性，直接将基因编辑器递送到体内遗传异常的HSC仍然存在挑战。此外，使用病毒载体递送基因编辑器，可能因随机整合、脱靶细胞毒性和剂量限制性毒性而导致白血病的风险，这也阻碍了其进一步发展。因此，有必要开发安全有效的合成传递系统，用于在骨髓中进行基因组编辑。2024年5月23日，德州大学西南医学中心 Daniel Siegwart 教授团队在 Nature 子刊 Nature Nanotechnology 上发表了题为：Bone-marrow-homing lipid nanoparticles for genome editing in diseased and malignant haematopoietic stem cells 的研究论文。该研究开发了一系列骨髓靶向的脂质纳米颗粒，能够将mRNA递到至少14种骨髓细胞类型（包括健康和病变的造血干细胞、白血病干细胞、B细胞、T细胞、巨噬细胞等）。并证明了可以使用这些骨髓靶向的脂质纳米颗粒可以对骨髓微环境的多种细胞类型进行基因编辑。该研究为设计和工程化肝外递送mRNA的LNP开辟了新途径，该研究开发的骨髓靶向的LNP也为许多造血系统疾病的治疗提供了新思路。
脂质纳米粒子（LNP）作为一种非病毒递送技术，在mRNA新冠疫苗中得到了广泛应用，显示出比病毒载体更低的免疫原性和重复给药可行性的优势。LNP最近在实现肝脏及肝外靶向的mRNA和基因编辑器递送的能力方面取得了进一步发展。2020年4月，Daniel Siegwart 教授团队（程强、魏妥为论文第一作者）在 Nature Nanobitechnology 期刊发表论文【2】，通过在LNP中添加第五种成分——SORT脂质，改变了LNP在体内的器官靶向特性，并实现mRNA对肝脏以外器官的递送。更重要的是，这种SORT-LNP可推广到多种肝外器官组织，实现对肺、脾脏等器官的特异性mRNA递送。在这项最新研究中，研究团队从一个化学成分多样的分子库中开始筛选，以从中确定哪些分子能赋予LNP较强的造血干细胞（HSC）亲和力。这一分子库中有41种分子，包含16种碳水化合物、6种维生素、7种氨基酸、5种激素、5种神经递质、1种核苷酸和1种共价脂质（SA-NHS），这些分子有潜力与氨基酸残基形成共价键。研究团队使用一种含有可降解的带正电荷的可电离脂质5A2-SC8作为四组分LNP的基础配方，该配方最初是为向肝脏递送mRNA而优化的。添加的测试分子在总脂质的摩尔百分比为20%，与该团队之前开发的SORT-LNP的方法类似。然后使用这些新生成的LNP递送编码萤火虫荧光素酶（firefly luciferase）的mRNA以观察递送特异性。所有测试的分子都以不同程度将荧光素酶mRNA递送至肝脏和脾脏，但含有共价脂质SA-NHS的LNP具有骨髓特异性，而其余所有分子则不具有这种特性。接下来，研究团队进一步扩大了共价脂质的分子多样性，以识别具有更高骨髓转染效率的其他分子。基于上述筛选，研究团队发现了一系列能够靶向骨髓中不同细胞类型的骨髓靶向的LNP，可将mRNA递送到骨髓中至少14种不同类型的细胞，包括健康和病变的造血干细胞（HSC）、白血病干细胞、B细胞、T细胞、巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和内皮细胞等。对吸附在骨髓靶向的LNP上的血清蛋白进行质谱蛋白质组分析显示，这些LNP的骨髓靶向递送依赖于载脂蛋白E（ApoE）在其表面的富集。更重要的是，使用这些骨髓靶向的LNP将Cas9或腺嘌呤碱基编辑器（ABE）的mRNA与gRNA共同递送至镰状细胞病人源化小鼠模型中，能够高效靶向造血干细胞（HSC）并进行了基因编辑，诱导了胎儿血红蛋白的产生。此外，这些骨髓靶向的LNP还能够在骨髓植入的白血病干细胞和白血病细胞中实现Cre-重组酶介导的基因缺失。这些实验结果表明，可以使用骨髓靶向的LNP来编辑骨髓微环境中的多种细胞类型。总的来说，该研究为设计和工程化肝外递送mRNA的LNP开辟了新途径，该研究开发的骨髓靶向的LNP也为许多造血系统疾病的治疗提供了新思路。https://www.nature.com/articles/s41565-024-01680-8https://www.nature.com/articles/s41565-020-0669-6
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