A eficiência do CRISPR triplica em testes de laboratório com nanopartículas embrulhadas em DNA

Com o poder de reescrever o código genético subjacente a inúmeras doenças, a CRISPR tem imensa promessa de revolucionar a medicina. Mas até que os cientistas possam entregar seu maquinário de edição de genes com segurança e eficiência em células e tecidos relevantes, essa promessa permanecerá fora de alcance.

Agora, os químicos da Northwestern College divulgaram um novo tipo de nanoestrutura que melhora drasticamente a entrega do CRISPR e potencialmente estende seu escopo de utilidade.

Chamados ácidos nucleicos esféricos de nanopartículas lipídicas (LNP-SNAs), essas pequenas estruturas carregam todo o conjunto de ferramentas de edição do CRISPR-enzimas CAS9, RNA guia e um modelo de reparo de DNA-com uma densa e protetora concha de DNA. Não apenas esse revestimento de DNA protege sua carga, mas também determina quais órgãos e tecidos os LNP-sNAs viajam e facilita a entrada de células.

Em testes de laboratório em vários tipos de células humanas e animais, os LNP-SNAs entraram em células até três vezes mais eficazmente do que os sistemas padrão de entrega de partículas lipídicas usadas para vacinas de covid-19, causaram muito menos toxicidade e aumentaram a eficiência de edição de genes três vezes. As novas nanoestruturas também melhoraram a taxa de sucesso dos reparos precisos do DNA em mais de 60% em comparação com os métodos atuais.

O estudo, “Uma estratégia geral de edição de genoma usando ácidos nucleicos esféricos de nanopartículas lipídicas CRISPR”, é publicado no The the Anais da Academia Nacional de Ciências.

O estudo abre o caminho para medicamentos genéticos mais seguros e confiáveis ​​e ressalta a importância de como a estrutura de um nanomaterial – em vez de seus ingredientes – pode determinar sua potência. Esse princípio está subjacente à nanomedicina estrutural, um campo emergente pioneiro em Chad A. Mirkin, do Noroeste, e seus colegas e perseguido por centenas de pesquisadores em todo o mundo.

“O CRISPR é uma ferramenta incrivelmente poderosa que pode corrigir defeitos nos genes para diminuir a suscetibilidade à doença e até eliminar a própria doença”, disse Mirkin, que liderou o novo estudo.

“Mas é difícil colocar o CRISPR nas células e tecidos importantes. Alcançar e entrar nas células certas – e os lugares certos dentro dessas células – exige um menor milagre. Usando SNAs para fornecer o maquinário necessário para a edição de genes, pretendemos maximizar a eficiência do CRISPR e expandir o número de tipos de células e tecidos que podemos entregá -lo”.

A pioneira em nanotecnologia e nanomedicina, Mirkin é o professor de química de George B. Rathmann no Weinberg Faculty de Artes e Ciências da Northwestern; Professor de Química e Engenharia BiológicaAssim, Engenharia Biomédica e Ciência dos Materiais e engenharia na McCormick College of Engineering; Professor de Medicina na Faculdade de Medicina de Feinberg; Diretor Executivo do Instituto Internacional de Nanotecnologia; e um membro do Centro de Câncer Robert H. Lurie, da Northwestern College.

Crispr precisa de um passeio

Quando a maquinaria CRISPR atinge seu alvo dentro de uma célula, ele pode desativar genes, consertar mutações, adicionar novas funções e muito mais. Mas as máquinas CRISPR não podem entrar nas células por si só. Ele sempre precisa de um veículo de entrega.

Atualmente, os cientistas normalmente usam vetores virais e nanopartículas lipídicas (LNPs) para executar essa função. Naturalmente bom em esgueirar -se nas células, os vírus são eficientes, mas podem fazer com que o corpo humano monte uma resposta imune, levando a efeitos colaterais dolorosos ou até perigosos.

Os LNPs, por outro lado, são mais seguros, mas ineficientes. Eles tendem a ficar presos em endossomos ou compartimentos dentro da célula, onde não podem liberar sua carga.

“Apenas uma fração da maquinaria CRISPR realmente entra na célula e até uma fração menor chega ao núcleo”, disse Mirkin.

“Outra estratégia é remover as células do corpo, injetar os componentes do CRISPR e depois colocar as células de volta. Como você pode imaginar, isso é extremamente ineficiente e impraticável”.

Um táxi envolto em DNA

Para superar essa barreira, a equipe de Mirkin se voltou para os SNAs, que são globulares – em vez de lineares – formas de DNA e RNA inventados anteriormente no laboratório de Mirkin, no noroeste. O materials genético esférico envolve um núcleo de nanopartículas, que pode ser embalado com carga.

Aproximadamente 50 nanômetros de diâmetro, as pequenas estruturas possuem uma capacidade comprovada de entrar nas células para entrega direcionada. Sete terapias à base de SNA já estão em Ensaios clínicos em humanosincluindo um ensaio clínico de fase II para o carcinoma de células Merkel sendo desenvolvido pela Flashpoint Therapeutics, uma startup de biotecnologia em estágio clínico.

No novo estudo, a equipe de Mirkin começou com um núcleo do LNP carregando a maquinaria CRISPR dentro. Em seguida, eles decoraram a superfície da partícula com uma densa camada de fios curtos de DNA. Como o DNA pode interagir com os receptores de superfície de uma célula, as células absorvem facilmente os SNAs. O DNA também pode ser projetado com sequências que visam tipos de células específicos, tornando a entrega mais seletiva.

“Mudanças simples na estrutura da partícula podem alterar drasticamente o quão bem uma célula a leva”, disse Mirkin. “A arquitetura do SNA é reconhecida por quase todos os tipos de células; portanto, as células ocupam ativamente os SNAs e as internalizam rapidamente”.

O desempenho aumentado em geral

Depois de sintetizar com sucesso os LNP-SNAs com carga CRISPR, Mirkin e sua equipe os adicionaram a culturas celulares, que incluíam células da pele, glóbulos brancos, células-tronco da medula óssea humana e células renais humanas.

Em seguida, a equipe observou e mediu vários fatores -chave: com que eficiência as células internalizaram as partículas, se as partículas eram tóxicas para as células e se as partículas entregavam com sucesso um gene.

Eles também analisaram o células‘DNA para determinar se o CRISPR havia feito as edições de genes desejadas. Em todas as categorias, o sistema demonstrou sua capacidade de entregar com sucesso as máquinas CRISPR e permitir modificações genéticas complexas.

Em seguida, Mirkin planeja validar ainda mais o sistema em vários modelos de doenças in vivo. Como a plataforma é modular, os pesquisadores podem adaptá -la para uma ampla gama de sistemas e aplicações terapêuticas.

A noroeste da biotecnologia Spin-Out Flashpoint Therapeutics está comercializando a tecnologia com o objetivo de movê-lo rapidamente em direção a ensaios clínicos.

“O CRISPR pode mudar todo o campo da medicina”, disse Mirkin. “Mas como projetamos o veículo de entrega é tão importante quanto as próprias ferramentas genéticas. Ao se casar com duas poderosas biotecnologias – CRISPR e SNAS -, criamos uma estratégia que poderia desbloquear o potencial terapêutico completo da CRISPR”.