利用CRISPR-Cas9技術進行癌症治療一直受到腫瘤編輯效率低和現有遞送系統潛在毒性的阻礙。近期，特拉維夫大學的研究人員開發了一種安全有效的基於脂質納米顆粒的CRISPR-Cas9給藥系統，特異性靶向癌細胞。在膠質母細胞瘤和卵巢癌模型小鼠中，體內編輯率達70%–80% ，總生存率最高提升至80%。相關研究成果於11月18日發表在Science Advances上。
圖片來源：Science Advances
Cas9核酸酶由單鏈嚮導RNA（sgRNA）引導，通過誘導序列特異性雙鏈斷裂（double-strand break, DSB）來修飾特定染色體DNA序列。然而，Cas9（160 kDa，4300個鹼基）和sgRNA（約31 kDa，130個鹼基）的大尺寸是傳統病毒和非病毒遞送系統的障礙。此外，目前用於非肝臟組織和腫瘤的遞送系統只能導致相對較低的基因編輯率。為了有效地治療癌症，需要更高的編輯效率。
脂質納米顆粒（LNP）是臨床認可的非病毒核酸遞送系統，能夠運輸較大的有效載荷。可電離陽離子脂質是LNP的關鍵成分，它能有效地進行核酸包裹、細胞轉運和內體釋放。為了克服目前可用的LNP製劑的載貨限制，LNP被設計使用新穎的可電離氨基脂質庫的可電離陽離子脂質來共包封Cas9 mRNA和sgRNA（下圖A）。經過一系列比較，L8-cLNP性能最優，被選擇進行進一步研究（下圖B）。
（A）CRISPR LNP（cLNP）的製備示意圖。一種基於微流控的脂質混合法構建包裹Cas9 mRNA和sgRNA的cLNP。
（B）從文庫中篩選出的可電離氨基脂質的化學結構。（來源：Science Advances）
為評估CRISPR LNP（cLNP）對癌症的治療潛力，首先需要解決CRISPR-Cas9療法的兩個主要問題，即潛在毒性和免疫原性。一項初步研究評估了小鼠靜脈注射L8-cLNP 包裹的綠色螢光蛋白（GFP）sgRNA （sgGFP-cLNP）（1mg/kg）後24小時的肝臟毒性、 血球計數和血清炎性細胞因子。結果沒有顯示明顯的毒性臨床症狀。儘管臨床前開發需要更廣泛的潛在毒性評估，但這些結果表明，L8-cLNP在以治療相關劑量全身給藥時沒有毒性或免疫原性。
在體外實驗觀察到了較高的基因編輯效率後，為了評估其是否能轉化為體內治療效果，科學家們在膠質母細胞瘤和轉移性卵巢癌模型小鼠中進行進一步研究。
膠質母細胞瘤是最具侵襲性的腦癌，診斷後預期壽命為15個月，5年生存率僅為3%。研究證明，在小鼠侵襲性原位膠質母細胞瘤中單次腦內注射抗PLK1的CRISPR LNP（sgPLK1-cLNP）可使體內基因編輯率達到70%左右，顯著降低腫瘤生長，中位生存期延長約50%，總體生存率提高至30%（下圖H）。
膠質母細胞瘤模型小鼠的基因編輯治療（來源：Science Advances）
對於大多數腫瘤，特別是轉移性或血液學腫瘤，治療策略需要全身給藥。然而，大多數LNP被困在肝臟和其他中樞器官中，在全身注射後不能被腫瘤細胞有效吸收。細胞靶向基因編輯策略可以增強對腫瘤細胞的基因編輯能力，降低對非目標細胞的毒性和編輯。
為了到達散發性腫瘤中，cLNP也被設計成抗體靶向遞送。在轉移性卵巢癌模型小鼠腹腔注射EGFR靶向sgPLK1-cLNP可使其被選擇性攝取到散發性卵巢腫瘤中，體內基因編輯率高達80%，總體生存率提高至80%。
卵巢癌模型小鼠的基因編輯治療（來源：Science Advances）
科學家們指出，通過展示治療兩種侵襲性癌症的潛力，這項新技術為治療其他類型的癌症以及罕見的遺傳病和愛滋病等慢性病毒性疾病開闢了新的可能。
領導該研究的Dan Peer教授說：「這種新療法可能需要一段時間才能用於人類，但我們對此持樂觀態度。基於mRNA的藥物正在蓬勃發展，事實上，目前正在開發的大多數COVID-19疫苗都是基於這一原理。12年前，當我們第一次談到用mRNA進行治療時，人們認為這是科幻小說。相信在不久的將來，我們將看到許多基於基因信使的個性化療法被用於治療癌症和遺傳疾病。通過特拉維夫大學的技術轉讓公司Ramot，我們已經在與跨國公司和基金會進行洽談，旨在用基因編輯技術造福人類。」
參考資料：
1# Revolutionary CRISPR-based genome editing system treatment destroys cancer cells（來源：medical press）
2# Daniel Rosenblum et al, CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy, Science Advances (2020) DOI: 10.1126/sciadv.abc9450