Science重磅！基于mRNA-LNP的造血干细胞基因编辑疗法

RNAScript 细胞与基因治疗领域 2023-12-01

收录于合集

撰文：三姐夫

编辑：RNAScript

排版：Vergil

β地中海贫血(TDT)患者和镰刀状细胞贫血病(SCD)等血液病患者其骨髓中的造血干细胞(HSC)无法正常分裂，在临床实践中仅能通过长期的输血治疗或风险极高的骨髓移植获得病程缓解。目前基于骨髓移植的治疗途径通常包括使用来自健康供体的HSC进行干细胞移植，或将患者自身的HSC修饰到体外并移植回体内的基因治疗。不久前，CRISPR基因编辑技术通过改造骨髓中的造血干细胞，已使第一批获得治疗的β地中海贫血和镰刀状细胞贫血病患者摆脱了长期治疗。

尽管基因编辑技术让广大患者看到了治愈的希望，但体外造血干细胞基因治疗仍存在诸多限制。以镰刀状细胞贫血病为例，医生需要先从患者的血液中取出骨髓细胞，然后在实验室中用基因编辑技术来改造造血干细胞中的特定基因，使其能重新制造婴儿时期表达的胎儿血红蛋白，然后将这些经过体外编辑的细胞重新输注回患者体内，替代患者体内有缺陷的血细胞发挥作用。然而与传统的骨髓移植方案一样，患者必须接受大剂量的化疗或放疗先把体内有缺陷的造血干细胞杀死，具有极大的毒副作用风险。

2023年7月27日，来自宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院和费城儿童医院(CHOP)的研究团队在Science正刊上发表了题为“In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery”的研究论文。研究人员采用造血干细胞(HSC)表面受体CD117的识别抗体修饰了LNP表面，并封装mRNA构建了靶向HSC的mRNA-LNP，并探究了该系统是否能作为血液系统疾病的治疗方法，在体内直接对造血干细胞进行基因编辑，克服体外基因编辑造血干细胞疗法的风险，使基因编辑疗法如同打疫苗一样简单。

CD117 LNP可实现造血干细胞靶向

研究人员首先采用CD117抗体修饰的LNP和IgG修饰的LNP分别封装了表达Luciferase报告基因的mRNA，并在小鼠模型中进行了验证。结果显示，CD117 LNP具有更好的骨髓靶向性，证明该LNP构建策略能有效将mRNA递送至骨髓造血干细胞中。

图1. CD117/LNP递送Luc-mRNA的表达和分布（来源：参考[1]）

在此基础上，研究人与使用CD117 / LNP封装编码Cas9基因编辑器的mRNA，针对镰状细胞贫血病患者捐献的造血干细胞进行了体外实验。结果显示，CD117/LNP能促进高效碱基编辑，使功能性血红蛋白的比例增加到了91.7%，而有缺陷的镰刀状血细胞几乎完全消失，这一编辑成功效率已经达到功能性治愈该类疾病所需的水平。

此外，研究人员还构建了表达促细胞凋亡蛋白质PUMA的CD117/LNP PUMA。通过该系统，研究人员期望能避免采用化疗或放疗的方式对原有造血干细胞进行清除，减少毒副作用。

小鼠模型实验结果显示，注射CD117/LNP-PUMA能有效耗竭原有造血干细胞，为新的健康骨髓细胞移植提供条件，且采取该方式进行移植前准备后的健康细胞移植比例也达到了治疗相关血液病的有效移植效率。

图2. 注射CD117/LNP-PUMA后的小鼠模型（来源：参考[1]）

“制导LNP”实现多靶向的体内基因编辑

除了抗体修饰LNP靶向外，早在2020年，Robert Langer与Daniel Anderson研究团队就曾采用NichEC-15环氧化物修饰脂质-聚合物递送系统，成功实现了siRNA的造血干细胞靶向递送。

科学家们不仅在干细胞中验证了体内基因编辑的可行性，还采用mRNA-LNP系统实现了体内CAR免疫细胞的制备和体内DC细胞的激活。

2022年，Rurik等人构建了T细胞靶向LNP，该LNP用抗CD5抗体进行表面修饰，并负载了编码成纤维细胞活化蛋白(FAP)-CAR的mRNA。静脉给药后，这些LNP将FAP-CAR递送至小鼠中17.5%-24.7%的脾脏T细胞。在心脏纤维化小鼠模型中，LNP给药2周后，心脏功能恢复，纤维化减轻。

2018年，Kedmi等人报道了一种通过LNP和靶向抗体之间的非共价相互作用的靶向方法。他们用重组蛋白(命名为ASSET)包被D-Lin-MC3-DMA(MC3)LNP，该蛋白可以与抗体的Fc结构域结合。通过调节特异性抗体，修饰的MC3-LNP能够靶向各种细胞类型。使用这种方法，Veiga等人表明了LNP特异性地向白细胞(Ly6c+)靶向递送FLuc和IL-10 mRNA。LNP用MC3配制，并用抗Ly6c+单克隆抗体包被。在右旋糖酐硫酸钠诱导的结肠炎模型中，这些LNP有效地诱导了抗炎细胞因子IL-10在Ly6c+炎症白细胞中的特异性表达，从而使巨噬细胞极化和症状减轻。

参考资料

[1] Breda L, Papp TE, Triebwasser MP, Yadegari A, Fedorky MT, Tanaka N, Abdulmalik O, Pavani G, Wang Y, Grupp SA, Chou ST, Ni H, Mui BL, Tam YK, Weissman D, Rivella S, Parhiz H. In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery. Science. 2023 Jul 28;381(6656):436-443. doi: 10.1126/science.ade6967.

E.N.D

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