纳米材料丛林中翩翩起舞的“基因魔剪”

近年来，基于CRISPR-Cas9的基因编辑技术在整个科学领域都引起了众多研究学者的兴趣。作为一种基因剪辑系统，它可以对某一核苷酸序列中的特定基因位点进行人为改变，插入、删除、替换或修饰基因组中的特定目的基因使其表达性状发生改变。迄今为止，CRISPR-Cas9已经可以用于多种疾病的治疗，但是在临床应用具有可行性之前，仍然存在一些技术障碍。由于它是一种大的分子复合物，很难将CRISPR/Cas9直接递送到细胞核中，只有在细胞核中，它才能发挥它的作用；同时由于CRISPR/Cas9直接在基因层面进行剪切，如何将它靶向递送到特定的组织器官也是一个较大的难题。因此，解决其在临床应用中的使用和效力将能够进一步推动CRISPR/Cas9的发展。

目前，已存在一些技术和方法来实现胞内递送CRISPR/Cas9复合物，比如通过电穿孔可以直接将CRISPR/Cas9复合物转导到靶细胞的细胞核；或者通过病毒载体介导的方式来实现传递。然而传统的这些基因递送的方式仍然存在一些比如安全性低、效率不高的问题。因此，近年来有很多研究采用智能型的纳米材料来突破传统载体对CRISPR/Cas9复合物递送的局限性。下面，就跟笔者来一起看看近几年来基于CRISPR-Cas9的智能型纳米材料的研究进展吧~

由于传统病毒载体存在很大的安全问题，2016年在ACS Nano上面报道了来自四川大学华西医院生物治疗与癌症研究中心国家重点实验室的一项研究，该研究设计了一种多功能靶向细胞核的“核壳结构”的仿生病毒纳米粒子（RRPHC）来实现对细胞核的靶向递送^[1]。RRPHC仿生病毒(RRPHC/Cas9-hMTH1)由一种氟化聚合物(PF₃₃)来实现对CRISPR-Cas9系统的结合(PF₃₃/Cas9-hMTH1纳米粒子)，和一个多功能纳米材料修饰的外壳(RGD-R8-PEG-HA, RRPH)共同组成。这样的多层聚合物纳米粒子外表修饰了PEG侧链和靶向肽RGD修饰的透明质酸HA，赋予了聚合物纳米粒子的深度穿透能力。HA可以多种肿瘤表面过表达的CD44受体起到靶向作用，同时带负电荷的HA可以在细胞外基质中的透明质酸酶HAase的作用下发生降解，暴露出正电荷的PF₃₃/Cas9-hMTH1内核结构，促进细胞内吞和避免系统给药的快速清除作用。此外，RGD多肽对肿瘤血管内皮细胞上的αvβ3整合素有靶向作用，进一步实现聚合物纳米粒子的深层穿透性。研究结果表明，这样的基于多层功能性聚合物纳米粒子的仿生病毒通过双重受体介导的内吞作用有效的将CRISPR/Cas9复合物靶向递送到卵巢癌，并且副作用较小，解决了例如腺病毒一类传统的病毒载体安全性以及效率低的递送问题。

图一：多层功能型“仿生病毒”聚合物纳米粒子示意图

由于CRISPR/Cas9复合物在细胞核内经过溶酶体内过酸性的环境，会很快被降解而失去作用，大大降低了基因编辑的效率。因此，需要寻求一种快速溶酶体逃逸，保护蛋白复合物的方式来提高递送效率。传统的基因载体会选择正电性较强且能吸质子H⁺的聚合物如聚乙烯亚胺PEI，然后PEI在应用中由于存在较大的毒性而受到了一定的限制。因此，一些研究逐渐聚焦于安全且有效的阳离子聚合物来现实高效的溶酶体逃逸。2017年，发表在国际期刊Nature Biomedical Engineering 上面的一项研究，该研究采用了生物相容性好的金纳米粒子AuNP作为内核，可以用来封装CRISPR/Cas9复合物^[2]。外壳包裹一层生物安全性以及细胞相容性良好的阳离子聚天冬酰胺衍生物PASp(DET) 作为内涵体逃逸的保护壳来实现对同源介导的双链DNA修复，从而对杜氏肌营养不良症的小鼠达到一个良好的治疗。

图二：CRISPR–Gold纳米复合物形成及细胞内化原理

除此之外，2017年发表在ACS Nano上面的文章也报道了一种基于金纳米粒子内核的非病毒纳米载体^[3]。该纳米运载系统以精氨酸修饰的金纳米粒子为内核，通过Au-S键作用将Cas9蛋白和sgRNA共同自组装成纳米复合物，通过膜融合的方式被细胞摄入。由于精氨酸带有大量氨基，可以很好的吸收质子保护蛋白复合物在溶酶体内酸性环境不受破坏，从而实现有效的将其地送到细胞核发挥作用。该文章表明，基于膜融合被细胞内化的纳米系统可以达到大约90%的递送效率，同时对于不同的细胞系可以达到约30%的基因编辑效率。

图三：CRISPR–ArgNPs作用机理示意图

尽管阳离子聚合物可以保护蛋白复合物通过溶酶体逃逸，但较强的正电性使得其在系统给药之后很容易被清除，仍然存在一些局限性使其不能很好的进入临床应用。2016年和2019年分别发表在PNAS和Advanced Materials上面的两项研究报道了迄今为止纳米材料递送CRISPR/Cas9复合物最为有效的手段之一。这两项研究都报道了一种生物可降解的合成脂质纳米粒子，脂质纳米颗粒通过静电作用吸附了Cas9的信使RNA（mRNA）^[4,5]。当这些包含sgRNA的纳米颗粒的内含物释放到细胞中，细胞中的蛋白制造工厂接管这种mRNA模板，并利用这种模板表达Cas9蛋白，从而实现这种基因编辑工具的作用。这些纳米颗粒的共同特征在于它们是由脂肪链中含有二硫键的合成脂质自组装形成的。当这些纳米粒子进入细胞中时，细胞中的环境破坏了二硫键而将它们拆解开，从而导致它们中的内含物快速高效地释放到细胞中，同时研究报道这种基于还原响应的纳米脂质体对基因编辑效率可达90%。

图四：基于还原响应纳米脂质体CRISPR/Cas9复合物的作用机理示意图

由于CRISPR/Cas9是在基因层面对细胞DNA进行删除或者插入，所以其作用到的靶器官与其他正常组织器官将会存在潜在的致癌风险。因此，选择性的激活特定组织或器官中的CRISPR/Cas9复合物的表达，以达到最大化的治疗效果，实现最小化的系统毒性。2019年发表在Nature Biomedical Engineering上面的一项研究报道了一种新型的磁场控制的基因载体系统^[6]。这样的一种CRISPR递送系统主要由一种大尺寸的杆状病毒实现对CRISPR复合物的包载，同时在病毒表面静电复合了穿模肽TAT修饰的磁性纳米粒子。该系统可以在磁场的作用下有效的富集在肝脏组织中，同时在磁场的控制下实现对体内基因编辑的空间控制。

图五：基于磁场控制的CRISPR/Cas9复合物示意图

除了磁场控制，还有一些研究聚焦于利用光控制CRISPR/Cas9复合物在特定组织的空间控制。2019年发表在Science Advances上面的一项报道，实现了用近红外光对CRISPR/Cas9复合物的定点控制释放^[7]。这样的光控制载体系统由镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（upconversion nanoparticle, UCNP）组成。其中，UCNP修饰了紫外敏感断键的化学基团ONA，同时复合CRISPR/Cas9蛋白并在外层包裹了PEI实现有效的溶酶体逃逸。当近红外光照射时，这种光被吸收并转换成紫外光进而引起化学键断裂，从而实现对CRISPR/Cas9复合物的切割释放，到达近红外光激活的空间控制。与此同时，在Advanced Materials上面也发表了光控制CRISPR/Cas9表达的相关研究，该研究报道了一种刷状结构的含氟化聚乙烯亚胺（PF）的半导体聚合物，其中PF可以与CRISPR/Cas9结合，同时聚合物纳米粒子内核包载了一种可以使核扩张的糖皮质激素^[8]。聚合物外壳修饰了聚乙二醇PEG，通过超分子和静电作用形成半导体聚合物纳米粒子。当该聚合物纳米粒子在特定组织富集之后，给与近红外光照，半导体聚合物进行光热转换之后快速释放出CRISPR/Cas9复合物。以上两项研究都利用外界光刺激，实现体内基因编辑的空间控制，通过无创遥控，巧妙地利用智能型纳米材料，将提高体内CRISPR/Cas9编辑的准确性和安全性。

图六：基于光控制CRISPR/Cas9复合物的示意图

总结与展望

近年来大量的研究通过智能型的纳米系统去对CRISPR/Cas9的可控编辑以及递送效率不断地进行完善和优化，不论是通过设计精巧而复杂的多重功能的纳米材料还是利用外界刺激，如光、声、磁、热等对CRISPR/Cas实现空间的远程控制，多功能的智能纳米材料具有可调节性，灵活性，和可控性，相较于传统的基因载体对CRISPR/Cas9编辑系统都实现了有效的递送并且大大的提高了编辑效率。基于以上的一些进展梳理，让我们拭目以待CRISPR/Cas9与纳米材料的精妙结合，使其能够尽早的转化到临床应用之上！

参考文献

[1] Artificial Virus Delivers CRISPR-Cas9 System for Genome Editing of Cells in Mice. ACS Nano, 2017, 11, 95−111, DOI: 10.1021/acsnano.6b04261

[2] Nanoparticle delivery of Cas9 ribonucleoprotein and donor DNA in vivo inducehomology-directed DNA repair. NatureBiomedical Engineering, DOI: 10.1038/s41551-017-0137-2

[3] Direct Cytosolic Delivery of CRISPR/Cas9-Ribonucleoprotein for Efficient Gene Editing. ACS Nano, 2017, 11, 2452−2458, DOI: 10.1021/acsnano.6b07600

[4] Efficient delivery of genome-editing proteins using bio-reducible lipid nanoparticles. PNAS, 2016, 2868–2873, doi/10.1073/pnas.1520244113

[5] Fast and Effcient CRISPR/Cas9 Genome Editing In Vivo Enabled by Bio-reducible Lipid and Messenger RNA Nanoparticles. Advanced Materials, 2019, 1902575, DOI: 10.1002/adma.201902575

[6] Spatial control of in vivo CRISPR–Cas9 genome editing via nanomagnets. NatureBiomedical Engineering, doi.org/10.1038/s41551-018-0318-7

[7] Near-infrared upconversion–activated CRISPR-Cas9 system: A remote-controlled gene editing platform. 2019; 5 eaav7199, DOI: 10.1126/sciadv.aav7199

[8] A Rationally Designed Semiconducting Polymer Brush for NIR-II Imaging-Guided Light-Triggered Remote Control of CRISPR/Cas9 Genome Editing. Advanced Materials, 2019, 1901187, DOI: 10.1002/adma.201901187

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