עם הכוח לשכתב את הקוד הגנטי העומד בבסיס אינספור מחלות, CRISPR מבטיחה עצומה לחולל מהפכה ברפואה. אך עד שמדענים יוכלו לספק את מכונות עריכת הגנים שלה בבטחה וביעילות לתאים ורקמות רלוונטיים, ההבטחה תישאר מחוץ להישג יד.
כעת, כימאים באוניברסיטת נורת'ווסטרן חשפו סוג חדש של ננו -מבנה המשפר באופן דרמטי את משלוח ה- CRISPR ועלול להרחיב את היקף התועלת שלו.
מבנים זעירים אלה נקראים חומצות גרעין כדוריות של ננו -חלקיקים (LNP -SNA), נושאים את הסט המלא של כלי עריכה CRISPR – אנזימי CAS9, מדריך RNA ותבנית תיקון DNA – עטופה במעטפת DNA צפופה ומגנה. לא רק שציפוי ה- DNA הזה מגן על המטען שלו, אלא שהוא גם מכתיב לאילו איברים ורקמות ה- LNP-SNA נוסעים אליהם ומקלים עליהם להיכנס לתאים.
בבדיקות מעבדה על פני סוגי תאי אנוש ובעלי חיים שונים, ה- LNP-SNA נכנסו לתאים עד שלוש פעמים בצורה יעילה יותר מאשר מערכות מסירת החלקיקים השומנים הסטנדרטיים ששימשו לחיסונים COVID-19, גרמו להרבה פחות רעילות והגבירו יעילות עריכת גנים משולשת פי שלושה. מבני הננו החדשים שיפרו גם את אחוזי ההצלחה של תיקוני DNA מדויקים ביותר מ- 60% בהשוואה לשיטות הנוכחיות.
המחקר יפורסם ב- 5 בספטמבר ב המשך האקדמיה הלאומית למדעים.
המחקר סולל את הדרך לתרופות גנטיות בטוחות ואמינות יותר ומדגיש את החשיבות של האופן שבו מבנה ננו -חומר – ולא מרכיביו בלבד – יכול לקבוע את עוצמתו. עיקרון זה עומד בבסיס ננו -רפואה מבנית, שדה מתפתח שחלוץ על ידי צ'אד א 'מירקין של נורת'ווסטרן ועמיתיו ונרדף על ידי מאות חוקרים ברחבי העולם.
"CRISPR הוא כלי חזק להפליא שיכול לתקן ליקויים בגנים כדי להפחית את הרגישות למחלות ואף לחסל את המחלה עצמה", אמר מירקין, שהוביל את המחקר החדש. "אבל קשה להכניס CRISPR לתאים ולרקמות החשובות. הגעה ונכנסים לתאים הנכונים – והמקומות הנכונים בתוך אותם תאים – דורש נס מינורי. באמצעות SNAs כדי לספק את המכונות הנדרשות לעריכת גנים, נועדנו למקסם את היעילות של CRISPR ולהרחיב את מספר סוגי התא והרקמות שאנו יכולים לספק אותה."
חלוץ ננו -טכנולוגי וננו -רפואי, מירקין הוא הפרופסור לכימיה של ג'ורג 'ב. רת'מן במכללת ויינברג לאומנויות ומדעים של נורת'ווסטרן; פרופסור להנדסה כימית וביולוגית, הנדסה ביו -רפואית ומדע והנדסה של חומרים בבית הספר להנדסה מקורמיק; פרופסור לרפואה בבית הספר לרפואה פיינברג; מנכ"ל המכון הבינלאומי לננו -טכנולוגיה; וחבר במרכז הסרטן המקיף של רוברט ה. לורי באוניברסיטת נורת'ווסטרן.
CRISPR זקוק לרכיבה
כאשר מכונות CRISPR מגיעות למטרה שלה בתוך תא, היא יכולה להשבית גנים, לתקן מוטציות, להוסיף פונקציות חדשות ועוד. אבל מכונות CRISPR אינן יכולות להיכנס לתאים בפני עצמה. זה תמיד צריך רכב משלוח.
נכון לעכשיו, מדענים משתמשים בדרך כלל בווקטורים ויראליים ובננו -חלקיקים בשומנים (LNPs) כדי לבצע פונקציה זו. באופן טבעי טוב להתגנב לתאים, הנגיפים יעילים, אך הם יכולים לגרום לגוף האדם להעלות תגובה חיסונית, מה שמוביל לתופעות לוואי כואבות או אפילו מסוכנות. לעומת זאת, LNPs בטוחים יותר אך לא יעילים. הם נוטים להיתקע באנדוזומים, או בתאים בתוך התא, שם הם לא יכולים לשחרר את המטען שלהם.
רק חלק ממכונות ה- CRISPR הופך אותו למעשה לתא ואפילו חלק קטן יותר הופך אותו לכל הדרך אל הגרעין. אסטרטגיה נוספת היא להסיר תאים מהגוף, להזריק את רכיבי ה- CRISPR ואז להכניס את התאים פנימה. כפי שאתה יכול לדמיין, זה לא יעיל ביותר ולא מעשי. "
צ'אד א. מירקין, אוניברסיטת נורת'ווסטרן
מונית עטופה DNA
כדי להתגבר על מחסום זה, הצוות של מירקין פנה ל- SNAs, שהם צורות כדוריות ולא ליניאריות – של DNA ו- RNA שהומצאו בעבר במעבדה של מירקין בצפון -מערב. החומר הגנטי הכדורי מקיף גרעין חלקיקים, שניתן לארוז במטען. בקוטר 50 ננומטר בקוטר, המבנים הזעירים הם בעלי יכולת מוכחת להיכנס לתאים למסירה ממוקדת. שבעה טיפולים מבוססי SNA נמצאים כבר במחקרים קליניים בבני אדם, כולל ניסוי קליני שלב 2 עבור קרצינומה של תאי מרקל המפותח על ידי Flashpoint Therapeutics, סטארט-אפ ביוטכנולוגיה של בשלב קליני.
במחקר החדש הצוות של מירקין התחיל בליבה של LNP שנשא את מכונות ה- CRISPR בפנים. לאחר מכן, הם קישטו את פני החלקיק בשכבה צפופה של קווצות DNA קצרות. מכיוון שה- DNA יכול לקיים אינטראקציה עם קולטני השטח של התא, התאים סופגים בקלות SNAs. ניתן להנדס גם את ה- DNA באמצעות רצפים שמכוונים לסוגי תאים ספציפיים, מה שהופך את המסירה לסלקטיבית יותר.
"שינויים פשוטים במבנה של החלקיק יכולים לשנות באופן דרמטי עד כמה תא מעלה אותו", אמר מירקין. "ארכיטקטורת ה- SNA מוכרת כמעט על ידי כל סוגי התאים, ולכן התאים תופסים באופן פעיל את ה- SNAs ומפנימים אותם במהירות."
הגבירו את הביצועים בכל רחבי הלוח
לאחר שסנתז בהצלחה של LNP-SNAs עם מטען CRISPR, מירקין וצוותו הוסיפו אותם לתרבויות סלולריות, שכללו תאי עור, תאי דם לבנים, תאי גזע מח עצם אנושיים ותאי כליות אנושיות.
לאחר מכן, הצוות צפה ומדד מספר גורמי מפתח: עד כמה יעילות התאים הפנימו את החלקיקים, בין אם החלקיקים רעילים לתאים ואם החלקיקים העבירו בהצלחה גן. הם גם ניתחו את ה- DNA של התאים כדי לקבוע אם CRISPR ביצע את עריכות הגנים הרצויים. בכל קטגוריה, המערכת הדגימה את יכולתה לספק בהצלחה מכונות CRISPR ולאפשר שינויים גנטיים מורכבים.
בשלב הבא, מירקין מתכננת לאמת עוד יותר את המערכת במודלים של מחלות in vivo מרובות. מכיוון שהפלטפורמה מודולרית, החוקרים יכולים להתאים אותה למגוון רחב של מערכות ויישומים טיפוליים. Biotechnology Northwestern Biotechnology Spin-Out Flashpoint Therapeutics מסחור את הטכנולוגיה במטרה להעביר אותה במהירות לעבר ניסויים קליניים.
"CRISPR יכול לשנות את כל תחום הרפואה," אמר מירקין. "אבל איך אנו מעצבים את רכב המסירה חשוב לא פחות מהכלים הגנטיים עצמם. על ידי נישואין לשתי ביוטכנולוגיות חזקות – CRISPR ו- SNAs – יצרנו אסטרטגיה שיכולה לפתוח את הפוטנציאל הטיפולי המלא של CRISPR."
המחקר, "אסטרטגיית עריכת גנום כללית המשתמשת בחומצות גרעין כדוריות של ננו-חלקיקים של CRISPR", נתמכה על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי (מספר הפרסים FA9550-22-1-0300), קרן המדע הלאומית (מספר הפרסים DMR-2428112) ואדגר ח 'באכרך דרך קרן באכרך.
