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圖1 iLP181/psgPLK1研究示意圖及體內(nèi)外效應(yīng)研究

近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃淵余課題組在可離子化脂質(zhì)介導(dǎo)CRISPR/Cas9基因編輯元件的遞送及其在腫瘤治療中的功效研究方面取得重要研究進(jìn)展。該研究成果以《Ionizable lipid-assisted efficient hepatic delivery of gene editing elements for oncotherapy》發(fā)表于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Bioactive Materials》（IF 2020="14.593）。該論文第一作者為北京理工大學(xué)生命學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生李春輝、楊同仁及北京理工大學(xué)醫(yī)工融合研究院翁郁華副研究員，通訊作者為黃淵余研究員。

CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)充滿希望的時(shí)代，為目前無(wú)法治愈的疾病提供了新的治療方法。CRISPR/Cas的出現(xiàn)在一定程度上反映了人類(lèi)基因編輯技術(shù)的重大進(jìn)步，為進(jìn)一步了解各種疾病的基因功能、潛在的生物學(xué)或病理機(jī)制、和最終開(kāi)發(fā)新的治療方案提供了一個(gè)有效而強(qiáng)大的平臺(tái)。但CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)需要進(jìn)入到細(xì)胞才能發(fā)揮作用，如何高效入胞、并進(jìn)一步從內(nèi)涵體中高效逃逸到細(xì)胞質(zhì)，是十分重要而挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題。在生物分子的遞送方面，可電離脂質(zhì)納米顆粒（iLNP）是最具應(yīng)用前景的核酸遞送載體。全球獲批上市的第一種siRNA藥物Onpattro?和Moderna、BioNTech開(kāi)發(fā)的新冠肺炎mRNA疫苗（mRNA-1273, BNT162b2）都是脂質(zhì)體制劑。同時(shí)，iLNP也是CRISPR/Cas最有效的遞送系統(tǒng)，并已被用于向癌細(xì)胞、肝細(xì)胞、肺和大腦等組織遞送基因編輯元件。

在這項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的可電離脂質(zhì)納米顆粒（iLNP），稱(chēng)為iLP181，和構(gòu)建了一個(gè)同時(shí)表達(dá)Cas9蛋白和靶向PLK1（polo樣激酶1）基因的sgRNA質(zhì)粒，稱(chēng)為Cas9-sgPLK1或psgPLK1，并對(duì)iLP181遞送Cas9-sgPLK1的效率和基因編輯情況進(jìn)行了體外和體內(nèi)研究。最后對(duì)iLP181/psgPLK1制劑在荷瘤小鼠的治療效果和安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)（圖1）。

已有研究證明，遞送載體系統(tǒng)的pKa值處于6.2至6.5時(shí)，通常可響應(yīng)內(nèi)涵體pH值改變迅速離子化，從而與內(nèi)涵體膜成分中的陰離子脂質(zhì)（如磷脂酰絲氨酸）發(fā)生相互作用，破壞內(nèi)涵體膜穩(wěn)定性，促使核酸分子從內(nèi)涵體中逃逸到細(xì)胞質(zhì)，同時(shí)釋放核酸分子。該研究證明iLP181體系的pKa值為6.43，符合可離子化脂質(zhì)體的要求（圖1B）。熒光信號(hào)在細(xì)胞中的共定位分析證明，在iLP181/psgPLK1進(jìn)入細(xì)胞3小時(shí)后表現(xiàn)出高效的內(nèi)涵體逃逸（圖1C）。進(jìn)一步，研究人員對(duì)iLP181/psgPLK1在體外的長(zhǎng)效基因編輯進(jìn)行了評(píng)估，在HepG2-Luc細(xì)胞轉(zhuǎn)染iLP181/psgPLK1后第7天仍可實(shí)現(xiàn)32%的基因編輯效率（圖1D）。為了確定iLP181/psgPLK1是否具有較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，研究人員還觀察了iLP181/psgPLK1在不同緩沖溶液中的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)證明，iLP181/psgPLK1無(wú)論是在PBS緩沖溶液還是在含10%人體血清的緩沖溶液中，在長(zhǎng)達(dá)14天的時(shí)間里都表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性（圖1E和F）。

隨后，研究人員將iLP181/psgPLK1脂質(zhì)納米復(fù)合物經(jīng)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)以評(píng)估其體內(nèi)分布效果。數(shù)據(jù)顯示，iLP181/psgPLK1在給藥后的2-5天，都主要積聚在腫瘤部位（圖1G）,說(shuō)明iLP181具有較好的腫瘤靶向性。同時(shí)，該論文還研究了該脂質(zhì)體核酸體系的體內(nèi)安全性，病理切片、血清生化等指標(biāo)均表明該體系擁有良好的體內(nèi)安全性。

綜上所述，此項(xiàng)研究證明了iLP181可高效地將CRISPR/Cas系統(tǒng)遞送至細(xì)胞及腫瘤組織，實(shí)現(xiàn)高效的基因編輯，并擁有良好的安全性。該研究不僅為CRISPR/Cas系統(tǒng)（甚至是其他生物活性分子）提供了一種高效、安全的脂質(zhì)納米載體，而且為腫瘤基因的DNA編輯提供了一種潛在的治療方案。上述研究成果近日已提交專(zhuān)利申請(qǐng)。

附作者簡(jiǎn)介：

黃淵余，北京理工大學(xué)研究員、課題組長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師。研究興趣主要圍繞核酸技術(shù)與藥物/疫苗展開(kāi)。以通訊/第一作者在Signal Transduct Target Ther、Nano Lett、Nano Today、Adv Funct Mater等發(fā)表論文40余篇，IF>10論文20篇；共發(fā)表論文70余篇，撰寫(xiě)9部專(zhuān)著章節(jié)，申請(qǐng)12件專(zhuān)利，含多國(guó)授權(quán)PCT專(zhuān)利2件、在申請(qǐng)PCT專(zhuān)利1件。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng)，入選北京市科技新星（2020），獲得中美納米醫(yī)學(xué)與納米生物技術(shù)學(xué)會(huì)“未來(lái)之星”獎(jiǎng)（2019）等榮譽(yù)。是中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)納米生物學(xué)分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，另4個(gè)學(xué)會(huì)理事或委員；是Exploration副主編（Wiley出版）、Chinese Chemical Letters等多個(gè)期刊(青年)編委。

論文詳情：

Chunhui Li^#, Tongren Yang^#, Yuhua Weng^#, Mengjie Zhang, Deyao Zhao, Shuai Guo, Bo Hu, Wanxuan Shao, Xiaoxia Wang, Abid Hussain, Xing-Jie Liang, Yuanyu Huang?. Ionizable lipid-assisted efficient hepatic delivery of gene editing elements for oncotherapy. Bioact Mater. 2021, x(x): xxxx-xxxx.

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.05.051

教師主頁(yè): https://www.x-mol.com/groups/Yuanyu_Huang-BIT

論文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21002723#appsec1