Липидные наночастицы, несущие CRISPR, позволили исследователям исправить редкую мутацию в мышиной модели муковисцидоза.
С момента первого описания заболевания в 1935 году и до настоящего времени клинические исходы для пациентов с муковисцидозом претерпели кардинальные изменения. Если раньше это редкое генетическое заболевание было смертным приговором, который часто не позволял пациентам достичь зрелого возраста, то с годами достижения в области терапии муковисцидоза значительно увеличили продолжительность жизни больных. Однако эти методы лечения эффективны не для всех пациентов.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые сообщили о новой стратегии доставки системы редактирования генов CRISPR-Cas9 в легкие мышей c муковисцидозом и исправления лежащих в их основе мутаций. После разработки и тестирования этот подход может позволить врачам лечить всех пациентов с муковисцидозом, включая тех, кто ранее не поддавался терапии.
Муковисцидоз возникает в результате мутаций в гене трансмембранного регулятора проводимости при муковисцидозе (CFTR), который кодирует хлоридный канал на поверхности клеток, помогающий контролировать концентрацию соли и воды в выделениях организма. Нарушение или отсутствие активности CFTR приводит к появлению характерной густой и липкой слизи, ассоциируемой с заболеванием, и, как следствие, к увеличению частоты респираторных инфекций. Клиницисты разработали препараты, такие как Trikafta, которые эффективно лечат 90% пациентов.
«Проблема в том, что эти препараты предназначены только для снятия симптомов», - поясняет Дэниел Зигварт из Техасского университета и руководитель данного исследования. «Эти препараты не могут вылечить причину заболевания, потому что это генетическое заболевание». Клетки пациента должны вырабатывать белок CFTR, чтобы существующие методы лечения работали, что оставляет пациентов с мутациями без альтернатив.
С момента открытия CRISPR-Cas9 исследователи полагали, что с его помощью можно будет лечить генетические заболевания. Однако отсутствие эффективных носителей, способных воздействовать на конкретные органы, сдерживало этот подход. Чтобы решить эту проблему, Зигварт и его коллеги ранее разработали передовую стратегию доставки, названную селективными органонаправленными липидными наночастицами (selective organ targeting lipid nanoparticles - SORT LNP). Изменив состав и биофизические свойства этих наночастиц, исследователи избирательно нацеливали их на клетки в легких, печени или мозге мышей после внутривенного введения.
Основываясь на этой работе, Зигварт и коллеги еще больше оптимизировали состав своих легочных SORT LNP и улучшили их доставку, эффективность и специфичность нацеливания на легкие при минимальной токсичности. После инкапсуляции компонентов системы CRISPR, включая мРНК Cas9, мутационно-специфическую однонаправляющую РНК и шаблон донорской одноцепочечной ДНК, они вводили липидные наночастицы внутривенно мышам с муковисцидозом и имеющим мутацию G542X. С помощью секвенирования следующего поколения (NGS) ДНК, выделенной из легочной ткани, исследователи установили, что их стратегия редактирования генов успешно исправила мутацию G542X в мышиных легких.
Хотя эти результаты были многообещающими, исследователи не были уверены, что их система сможет напрямую воздействовать на базальные клетки, которые являются резидентными стволовыми клетками респираторного эпителия. Поскольку эти клетки могут дифференцироваться в различные типы эпителиальных клеток, эффективное восстановление CFTR в базальных клетках потенциально может привести к долгосрочному улучшению функции легких. Проведя лечение трансгенного репортерного штамма мышей с помощью легочных SORT LNP, несущих мРНК Cre, и оценив флуоресценцию изолированных базальных клеток с помощью проточной цитометрии, ученые обнаружили, что их липидные наночастицы могут эффективно доставлять мРНК в базальные клетки in vivo.
Чтобы проверить, может ли их подход также улучшить работу CFTR, они вырастили на проницаемой мембране полученные от пациентов человеческие бронхиальные эпителиальные клетки, экспрессирующие наиболее распространенную мутацию в CFTR, F508del, и обработали монослой легочными SORT LNP. Затем они оценили изменения в секреции хлорид-ионов, подав электрический ток через эпителиальный слой и измерив трансэпителиальное сопротивление и напряжение, а также эффективность редактирования генов с помощью NGS. Несмотря на то, что их система исправила мутацию только в 4% клеток, этого показателя оказалось достаточно для восстановления активности хлоридного канала до 71% здоровой функции CFTR.
«Эффективная доставка этих [геномных] редакторов в нужные области всегда была проблемой», - говорит Эми Вонг, биолог развития и стволовых клеток, которая не принимала участия в исследовании. «Липидные наночастицы действительно решают вопрос доставки». Вонг особенно порадовало то, что LNP SORT для легких достигли базальных клеток эпителия легких. «Если вы доберетесь до этих стволовых клеток, то у вас будет источник клеток, которые смогут просто обновить эпителий и будут иметь правильный CFTR на плазматической мембране», - пояснила Вонг.
Помимо лечения дополнительных заболеваний легких, эта стратегия доставки SORT LNP обладает большим потенциалом для целенаправленного редактирования генов в клетках других областей тела. «Муковисцидоз - это заболевание, которое поражает не только дыхательные пути; оно затрагивает множество тканей», - говорит Вонг. «Их метод внутривенной доставки... потенциально может стать средством воздействия и на другие органы, такие как поджелудочная железа [или] печень».
