Нанокапсулы с ДНК-оболочкой утроили эффективность CRISPR

CRISPR обладает огромным потенциалом для революции в медицине, но для его реализации необходимо безопасно и эффективно доставлять редактирующий аппарат в целевые клетки.

Химики из Северо-Западного университета создали новый тип наноструктур, которые радикально улучшают доставку CRISPR и потенциально расширяют сферу его применения.

Эти структуры, названные липидными наночастицами-сферическими нуклеиновыми кислотами (LNP-SNAs), несут полный набор инструментов CRISPR — ферменты Cas9, направляющую РНК и матрицу для репарации ДНК — внутри плотной защитной оболочки из ДНК. Эта ДНК-оболочка не только защищает груз, но и определяет, в какие органы и ткани попадут LNP-SNAs, а также облегчает их проникновение в клетки.

В лабораторных тестах на различных типах человеческих и животных клеток LNP-SNAs проникали в клетки в три раза эффективнее, чем стандартные липидные частицы, используемые в вакцинах против COVID-19. Новая система вызывала значительно меньшую токсичность и утроила эффективность редактирования генов. Точность репарации ДНК повысилась более чем на 60% по сравнению с текущими методами.

Исследование "A general genome editing strategy using CRISPR lipid nanoparticle spherical nucleic acids" опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Проблема доставки CRISPR

Аппарат CRISPR не может проникать в клетки самостоятельно. Существующие системы доставки имеют недостатки:

• Вирусные векторы эффективны, но могут вызывать иммунный ответ.
• Липидные наночастицы (LNPs) безопаснее, но неэффективны, так как застревают в эндосомах клетки.

Такси в ДНК-оболочке

Команда под руководством Чада А. Миркина использовала ранее разработанные в их лаборатории сферические нуклеиновые кислоты (SNAs). Это глобулярные (а не линейные) формы ДНК и РНК, окружающие наночастицу с грузом внутри.

В новом исследовании ученые взяли LNP-ядро с аппаратом CRISPR и покрыли его поверхность плотным слоем коротких цепочек ДНК. Клетки легко поглощают SNAs, так как ДНК взаимодействует с их поверхностными рецепторами. Саму ДНК можно запрограммировать на таргетинг к определенным типам клеток.

"Простое изменение структуры частицы может кардинально изменить эффективность ее поглощения клеткой. Архитектура SNA распознается почти всеми типами клеток, поэтому они активно захватывают SNAs", — пояснил Чад А. Миркин.

Улучшенные показатели во всех категориях

После синтеза LNP-SNAs с грузом CRISPR их добавили в культуры клеток кожи, белых кровяных клеток, человеческих стволовых клеток костного мозга и клеток почек.

Система продемонстрировала успех по всем ключевым параметрам:

1. Высокая эффективность поглощения клетками.
2. Низкая токсичность.
3. Успешная доставка гена.
4. Выполнение целевых генетических модификаций.

В дальнейшем Миркин планирует проверить систему на нескольких моделях заболеваний in vivo. Поскольку платформа модульная, ее можно адаптировать для широкого спектра систем и терапевтических применений.

Биотехнологический стартап Flashpoint Therapeutics, созданный при университете, занимается коммерциализацией технологии с целью быстрого перехода к клиническим испытаниям.

"CRISPR может изменить всю область медицины. Но то, как мы проектируем средство доставки, так же важно, как и сами генетические инструменты. Объединив две мощные биотехнологии — CRISPR и SNAs — мы создали стратегию, которая может раскрыть полный терапевтический потенциал CRISPR", — заключил Миркин.