Small:时空特异性调控的基因编辑技术开发及其在敏感增强型肿瘤光热治疗中的应用

新一代CRISPR基因编辑技术具有高效率、易操作、成本低等显著优点,能够对基因组序列进行准确、稳定的遗传改造,给生命科学和临床治疗带来革命性的变革。然而,由于存在较大的免疫原性、遗传毒性以及不可控性产生的脱靶效应,基因编辑疗法往往会伴随严重、不可预估的副作用;此外,如何精确靶向特定细胞类群、诱导对治疗有效的基因编辑水平、建立可复制和可扩展的生产工艺是制约基因编辑疗法最终能否走向临床应用的关键因素和技术瓶颈。

针对上述关键问题,南京中医药大学韩欣教授团队开发了时空特异性调控的基因编辑技术,实现了近红外光精准调控的基因编辑和药物释放,并将此技术成功应用于恶性肿瘤包括基因治疗、光热低温敏感治疗以及化疗的协同组合治疗中,为提高基因编辑效率同时降低脱靶效应提供了新的外源可控策略和手段,为基因编辑技术在疾病治疗方面的应用提供了新的思路。

该研究以优良的光热转换材料CuS纳米粒子为工具递送基因编辑元件Cas9 核糖核蛋白复合体(Cas9 RNP),通过CuS纳米粒子表面修饰的ssDNA与sgRNA碱基互补配对实现Cas9 RNP的有效负载和细胞内递送。化疗药物阿霉素(Doxorubicin, DOX)与 双链DNA 分子间存在相互作用,DOX 的蒽环色团可以插入DNA的GC-CG位置,因此该基因编辑递送系统还可以同时实现化疗药物的负载。严格控制基因表达过程、实现时空特异性的精准基因编辑对提高基因治疗的特异性和安全性至关重要。该工作报道的纳米递送系统具有以下亮点:①CuS纳米粒子充当”光热转换器”,可稳定地将近红外光(808 nm)转换为局部热效应以提供光热刺激;②通过设计ssDNA/sgRNA杂交链中互补碱基对的长度来精确控制其解链温度,从而实现sgRNA以及DOX的可控释放;③通过靶向敲除热激蛋白Hsp90α降低肿瘤细胞的热耐受性,增强光热治疗作用,实现光热、分子靶向双向协同抑瘤效果。这种外源可控、条件响应性的基因编辑和药物释放,为肿瘤的精准协同组合治疗提供了新的突破和技术借鉴。

该工作被Small选为封面文章(Front Cover)发表,南京中医药大学为第一通讯单位,博士研究生陈超为本论文的第一作者,韩欣教授为通讯作者,合肥工业大学查正宝教授和南京大学宋玉君教授为共同通讯作者,该项研究得到国家自然科学基金项目(31901010, 21874066)、江苏高校优势学科建设工程资助项目(中西医结合)、江苏省特聘教授自然科学类资助人才项目、江苏省“双创计划”团队项目等资助。

以上工作是韩欣教授基于微流控芯片技术和基因编辑技术相结合取得的一系列研究成果基础之上的又一个重要成果。韩欣教授之前开发了新颖微流控芯片细胞转染技术,成功克服了T细胞、造血干细胞等难转染细胞中分子递送和基因编辑的瓶颈,为肿瘤免疫疗法等细胞治疗临床应用提供了新的策略和手段(Han X, et al. Sci. Adv., 2015, 1, e1500454);开发了高通量微流控细胞分选芯片,结合CRISPR技术在全基因组范围内实现肿瘤分子靶标快速有效的筛选和鉴定(Han X, et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8561–8565)。韩欣教授团队所在的微纳制造与转化医学交叉团队实验室(https://www.hanlabnj.com/)致力于利用新一代基因编辑技术、新颖微流控芯片技术和多功能智能生物材料解决生物医学转化过程中的关键科学和技术问题,团队成员共计以第一作者或通讯作者发表Science Advances, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Nano Letters, Biomaterials等高水平研究论文10多篇。

通讯作者简介

韩欣,南京中医药大学医学院·整合医学学院教授,生化与分子生物学系主任和学科带头人,江苏省特聘教授。主要从事微流控芯片技术和转化医学,基因编辑和多功能生物纳米材料方向的研究。代表作包括Science Advances, Angewandte Chemie, Small, Analytical Chemistry, Aging Cell等国内外期刊发表SCI论文30余篇。

查正宝,合肥工业大学黄山青年学者,研究员。近年来针对微生物感染、炎症、肿瘤等机体稳态失调类疾病的发生、发展机制,构建一系列基于病灶生理微环境及外源刺激(如光、声、微波等)响应的药物靶向递送制剂。以第一或通讯作者身份在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters, Small等国内外期刊发表SCI论文44篇,含9篇封面、封底论文。

宋玉君,南京大学现代工程与应用科学学院教授,生命分析化学国家重点实验室PI。近年来主要围绕肿瘤和炎症性肠炎等重要疾病的诊断和治疗,开发了一系列基于微流控的快速诊断和智能响应基因编辑技术平台。以通讯或第一作者身份在Science Advances,Nature Communications,Advanced Materials, JACS, Angewandte Chemie,Advanced Functional Materials, Nano Letters, Small等国内外期刊发表SCI论文30余篇。

论文信息:

Controlled CRISPR-Cas9 Ribonucleoprotein Delivery for Sensitized Photothermal Therapy

Chao Chen, Yupei Ma, Shiyu Du, Yueyao Wu, Peiliang Shen, Tao Yan, Xueqing Li, Yujun Song*, Zhengbao Zha*, Xin Han*

Small

DOI:10.1002/smll.202101155

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202101155