科學家們尋求一種簡單的、柔和的方法來提供短期的基因治療，他們有了一個新的工具：納米粒子。在8月30日《Nature Comminications》發布的一篇文章中，來自福瑞德哈金森腫瘤研究中心（Fred Hutchinson Cancer Research Center）的 Matthias Stephan博士，描述了他所開發的納米粒子將使搭載的基因材料遞送到特定的細胞。

「我們所做的是『肇事逃逸』的基因治療，」在這種策略中，對於特定細胞做一個簡單的改變可以產生永久的治療效果，領導這項研究的免疫生物學工程師Stephan表示。

目前，科學家們尋求基因治療時，要麼靶向性永久改變細胞DNA的方法，要麼對細胞造成短期破壞的方法，但不能夠嚴格應用於特定的細胞。現在，科學家們有了第三種選擇。

「這是一個非常酷的技術，」聯合作者Hans-Peter Kiem博士對這種納米粒子評價說。他是福瑞德哈金森腫瘤研究中心細胞和基因療法的主任，是骨髓移植的專家，他使用基因療法改善了關於成膠質細胞瘤和HIV的治療，以及其他一些遺傳疾病，例如范科尼貧血和血紅蛋白病。

Hans-Peter Kiem博士

納米粒子能夠柔和的、短期的提供基因編輯蛋白到特定的細胞這是「真正的的關鍵」，這使得新方法脫穎而出，他說。新方法可能有一天也會足夠簡單，在世界範圍內靈活的進行短期的基因治療。目前的方法通常需要工程化細胞，這需要專業的技術，而新方法則有望在缺乏這樣專業技術的地區使用。（歡迎關注Science微信號：bioeg_cn）

獲勝的組合

我們的細胞依賴蛋白質運行，而我們的DNA以基因的形式攜帶著蛋白質的「配方」。當一個基因工程師添加了一個新的基因到細胞中，細胞「讀取」了基因併產生新的蛋白質，並且獲得了蛋白質所提供的功能。

科學家已經使用這種仔細重置的細胞DNA來改善健康，例如，細胞免疫治療的先驅旨在幫助拯救癌症患者的生命，通過給到經過基因重組的免疫細胞來摧毀癌症。

迄今，遺傳工程師需要在兩種方法之間做出選擇：

首先，是一個長期策略，例如那些使用細胞免疫療法或者幹細胞基因治療。這些依賴於仔細的構建只能進入特定細胞的載體分子，一旦進入，就會將新的基因拼合到這些細胞的DNA中。但是這種拼合要通過一個細胞周期。如果科學家們想要導入的基因會導致長期的負面作用，這就成為了一個難題。

第二種方式，稱為電穿孔法，不會永久的改變細胞的DNA，但是依然會有明顯的弊端，Kiem表示。電穿孔法「對於細胞來說非常粗魯，而我們也難以真正靶向任何特定的細胞，」他說。

在電穿孔法中，電流會在細胞外膜上開一個孔。通過這種方法，如同Kiem在內的研究人員就可以導入信使RNA，這是一種類型的遺傳物質，可以如同用會消失的墨水書寫的信息：信使RNA攜帶蛋白質構建的操作步驟，從基因到細胞內任意位置的蛋白質製造工廠，然後迅速的降解。如果研究人員通過電穿孔將信使RNA導入細胞，製造特定的蛋白質，那麼這些細胞只能在信使RNA解體前的短短期間內構建目標蛋白質。

在電穿孔法中，每一個細胞的膜都會暴露在電流中，變得具有滲透性。如果科學家需要選擇性的修飾細胞，他們必須通過更複雜的步驟去將這些細胞分離。

現在，Stephan將兩種方法的優點結合在了一起，得到了一種非常柔和、又具有靶向性並且只造成短期影響的技術。納米粒子由捆綁的合成信使RNA組成，用一種可被生物降解的外殼包被。合成的信使RNA相比於天然的RNA來說更加安全和穩定。外殼上布滿了可以幫助納米粒子精確靶向正確細胞類型的分子。

研究人員發現，在納米粒子被目標細胞吸收後的幾個小時內，這些細胞就會根據所接收到的新信使RNA開始大量合成蛋白質。然後，在幾天內，隨著信使RNA的降解，蛋白質的生成就停止了。

Stephan指出，新方法很簡單：納米粒子以一種乾燥的形式出現，只是需要在被添加到細胞中之前，加入少量的水和做少量的混合即可。

他說：「它們真的讓你實現了作為一名基因工程師所有的願望，因為你可以在打包所有不同的（基因療法）組件，進一步改善你的細胞產品的治療潛力，而不需要額外的製造步驟。」

小步驟，大改變

為了證明他的納米粒子的潛力，Stephan和他的團隊測試了三種不同的應用，旨在使各種實驗性癌症療法更安全，更有效。

尤其是，Stephan專註於使用納米粒子來改善一種稱為嵌合抗原受體（CAR）T-細胞療法的細胞免疫療法。在這種療法中，被稱為T細胞的免疫細胞接收到編碼CAR的基因，這是一個由實驗室設計的分子，指導他們識別並摧毀癌細胞。Stephan展示了他的「肇事逃逸」基因療法可以通過去除T細胞中不同的基因來提升這種方法，而這些基因可能會導致他們攻擊患者的健康組織。

使用他的納米粒子，通過他的同事Barry Stoddard博士開發的DNA剪切分子剪刀，他遞送了信使RNA。然後，用剪刀剪掉了那些不想要的基因，讓新設計的CAR-T細胞只專註於目標腫瘤細胞。

在另一組實驗中，Stephan和他的團隊表明，他們也可以通過短期提供給這些細胞一組特定特徵的基因來提升CAR-T細胞。來自福瑞德哈金森腫瘤研究中心的細胞免疫治療領域的創新者已經表明，使用一種稱為「中央記憶」T細胞的特殊T細胞類型，對於癌症最有效；中央記憶T細胞可以長期存活，「記住」它們的目標，並生成新的T細胞群。如果這個目標——腫瘤，捲土重來的話。

Stephan的研究小組證明，通過給予CAR-T細胞關鍵的中央記憶基因，僅僅需要幾天，他們就可以永久地編程治療細胞，成為中央記憶CAR-T細胞。當研究人員在白血病小鼠模型中測試他們的工程細胞時，他們發現，接受CAR-T納米粒子編程的中央記憶T細胞的小鼠，存活時間是接受常規CAR-T細胞的兩倍。只要老鼠給傳統汽車T細胞——令人難以置信的治療進步，僅僅需要一個簡單的步驟就可以獲得，Stephan指出。

最後，他還與Kiem合作，看看這些納米粒子是否能改善Kiem的基因治療應用。Kiem研究血液幹細胞，這是我們所有血液和免疫細胞的來源。他已經開發了一種基因治療方法，可以幫助改善腦瘤治療。一種叫做苄基鳥嘌呤的分子有助於使腦癌細胞易於化療，但不幸的是也會損害血細胞。Kiem已經表明，在患者的血液幹細胞中插入一種能保護患者血液的基因，就可以讓患者在不冒有毒副作用的情況下，兼顧化學療法的治療效果。

「這些經過基因編輯的細胞越多，它們的治療效果就越好，」Kiem說。但是，他指出，血液幹細胞需要特別溫和的處理。當它們分裂時，就失去了作為新的血液和免疫細胞的永久來源的能力。另一方面，通過操縱特定的基因強迫它們作為幹細胞長期存在，也可能會導致癌症。

Kiem和Stephan發現他們所設計的納米粒子是為了克服這一障礙而量身定做的。當他們使用納米粒子快速提供一種基因，這種基因只在他們分裂的時阻止細胞去幹細胞化，從而使幹細胞的數量增加了一倍，而又沒有患癌症的風險。

下一步計劃

「這只是眾多例子中的三個，」Stephan說，他正在與幾家致力於改善T細胞治療癌症的公司合作。他希望這種方法的簡單性和可擴展性也會吸引其他合作者。

Kiem還看到了廣泛的潛在應用。他希望通過基因編輯來解決大量的疾病，從血液失調到HIV感染。他和Stoddard 已經聯合起來，通過使用Stoddard 的分子剪刀編輯細胞的DNA來製造抗艾滋病病毒的納米粒子。Kiem說，Stephan的納米粒子有可能使現在複雜的多步過程變得更加簡單，這使得研究人員能夠只需一步就可以對正確的細胞進行基因編輯。

而且由於Stephan的納米顆粒是乾燥的，他們不需要特殊的運輸或儲存條件。Kiem說，運送和使用納米顆粒的簡單性，意味著他們可以在世界範圍內，為缺乏高科技細胞工程條件的地區帶來短期基因治療，這正是大多數艾滋病患者所在的地方。如果有一天，他們的治療方法可以用未冷凍的瓶子運送，「那就更有吸引力，更可行。」

目前，納米粒子正在進行體外實驗，但也有可能在經過大量的調整和測試後，有一天它們可以在患者體內進行短期基因治療。

「那樣就太奇妙了，」Kiem說。

來源：康健新視野

Science為生物易構旗下媒體平台，歡迎關注我們的微博：生物易構

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！