在一項新的研究中，來自美國費城兒童醫院和賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究人員開發出了一種概念驗證模型，用於遞送基因編輯工具來治療血液疾病，從而可以直接在體內改造患病的血細胞，這是基因藥物發展的一個進步。如果將這種方法應用於臨床，就可能擴大基因療法治療血液疾病的使用範圍並降低成本，而目前許多血液疾病基因療法需要患者接受化療和幹細胞移植。相關研究結果發表在2023年7月28日的Science期刊上，論文標題為“In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery”。
論文共同通訊作者、費城兒童醫院兒科教授Stefano Rivella博士說，“目前，如果你想用基因療法治療鐮狀細胞病和β地中海貧血等血液疾病，患者必須接受諸如化療之類的調理治療（conditioning treatments），為新的、經過基因校正的血細胞騰出空間，這既昂貴又有風險。在我們的論文中，我們證明了可以透過‘一勞永逸’的療法，在體內直接用經過基因校正的血細胞替換病變的血細胞，從而無需進行清髓性調理治療（myeloablative conditioning treatments），並簡化了這些可能改變生命的治療方法的遞送過程。這是我們在治療遺傳疾病的思路上向前邁出的一大步，可能擴大基因療法的使用範圍，讓最需要的患者也能接受基因療法。”
論文共同通訊作者、賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院傳染病研究助理教授Hamideh Parhiz博士說，“向特定組織和細胞型別靶向遞送mRNA編碼的治療劑將對未來用核酸治療疾病的方式產生巨大影響。在我們的研究中，我們提供了一種細胞特異性靶向脂質奈米顆粒，它封裝了作為一種平臺技術的mRNA治療劑/編輯劑，可用於針對許多需要精確靶向基因治療方式的疾病的體內細胞重程式設計。在這篇論文中，我們將這種靶向平臺與 mRNA 療法和基於 RNA 的基因組編輯工具的進展相結合，提供了一種控制造血幹細胞命運和校正基因缺陷的新方法。與目前可用的技術相比，mRNA編碼的靶向基因組編輯方法可實現可控表達、高編輯效力和潛在更安全的體內基因組修飾。”
造血幹細胞（HSC）存在於骨髓中，在骨髓中終生分裂，以便產生血液和免疫系統中的所有細胞。在鐮狀細胞病和免疫缺陷病等非惡性造血疾病患者中，這些血細胞因攜帶基因突變而無法正常發揮作用。
對於這些患者，目前有兩種可能治癒的治療方法，都涉及骨髓移植：一種是使用健康捐獻者的造血幹細胞進行幹細胞移植，另一種是基因治療，即在體外對患者自身的造血幹細胞進行基因改造，然後再移植回體內（通常稱為體外基因治療）。
由於造血幹細胞來自捐獻者，前一種方法存在移植物抗宿主疾病的風險，而且這兩種方法都涉及化療或放療的調理治療方案，以消除患者體內患病的造血幹細胞，使其做好接受新細胞的準備。這些調理治療過程會產生嚴重的毒副作用，因此有必要研究毒性較低的方法。
體外CD117/LNP-Cre編輯的造血幹細胞在二次移植後仍然持續存在。圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade6967。
一種無需使用上述兩種方法的選擇是體內基因編輯：將基因編輯工具直接注入患者體內，這樣就可以對造血幹細胞進行編輯和校正，而無需進行調理治療。
為了驗證這種方法，費城兒童醫院的Laura Breda博士和Michael P. Triebwasser博士、賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的Tyler E. Papp和mRNA 疫苗研究先驅Drew Weissman博士領導的一個研究團隊使用液體奈米顆粒（liquid nanoparticle, LNP）來遞送 mRNA 基因編輯工具。LNP 在包裝和向細胞遞送 mRNA 方面非常有效，由於 LNP-mRNA 平臺用於兩種COVID-19 疫苗，LNP 在 2020 年得到了廣泛應用。
然而，就 COVID-19 疫苗而言，LNP-mRNA 構造物並不針對體內的特定細胞或器官。鑑於這些作者希望專門針對造血幹細胞，他們給實驗用 LNP 表面裝飾了能識別造血幹細胞表面受體 CD117 的抗體。隨後，他們採用了三種方法來測試 CD117/LNP 配方的功效。
首先，這些作者測試了CD117/LNP封裝的報告基因mRNA，結果顯示成功實現了體內mRNA表達和基因編輯。接下來，他們研究了這種方法是否可用於治療血液病。他們測試了CD117/LNP封裝的mRNA，該mRNA編碼一種針對導致鐮狀細胞病的基因突變的Cas9基因編輯器。這種基因編輯技術能將致病血紅蛋白突變轉化為非致病變體。
這些作者在鐮狀細胞病捐獻者的造血幹細胞上測試了他們的LNP-mRNA 構造物，結果顯示，CD117/LNP促進了體外高效鹼基編輯，使功能性血紅蛋白相應增加了91.7%。他們還證明，鐮狀細胞幾乎完全消失。
最後，這些作者探討了 LNPs是否可用於體內調理治療，這樣就可以在不使用化療或放療的情況下耗盡骨髓。為此，他們使用CD117/LNP封裝了編碼PUMA（一種促進細胞死亡的蛋白）的mRNA。
在一系列體外和體內實驗中，這些作者發現，CD117/LNP-PUMA體內靶向能有效耗竭病變的造血幹細胞，從而成功輸注和吸收新的骨髓細胞，即定植，而無需化療或放療。在動物模型中觀察到的定植率與報導的使用健康供體骨髓細胞足以治癒重症聯合免疫缺陷症（SCID）的定植率一致，這表明這種技術可能用於治療重症免疫缺陷症。
Breda博士說，“這些發現可能會改變基因療法，不僅可以在體內對細胞型別進行特異性基因修飾，而且風險極低，從而可以對造血幹細胞生理學進行以前不可能進行的操作，同時還提供了一個平臺，如果調整得當，可以校正許多不同的單基因疾病。這類新穎的遞送系統可能有助於實現數十年來遺傳學和生物醫學協同研究以消除一系列人類疾病的承諾。”
參考資料：
Laura Breda et al. In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade6967.
Samuele Ferrari et al. A step toward stem cell engineering in vivo. Science, 2023, doi:10.1126/science.adj0997.
來自： 生物谷