Science里程碑成果：开发基于RNA的体内血液疾病基因编辑模型

　　费城儿童医院(CHOP)和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员开发了一种概念验证模型，用于提供基因编辑工具来治疗血液疾病，允许直接在体内修改患病血细胞，这是基因药物发展的一个进步。如果转化为临床，这种方法可以扩大血液疾病基因疗法的使用范围并降低成本，目前许多血液疾病需要患者接受化疗和干细胞移植。研究结果发表在今天的《科学》杂志上。

　　

费城儿童医院(CHOP)和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员已经开发出一种概念验证模型，用于提供基因编辑工具来治疗血液疾病，允许直接在体内修改患病血细胞。如果转化为临床，这种方法可以扩大血液疾病基因疗法的使用范围并降低成本，目前许多血液疾病需要患者接受化疗和干细胞移植。研究结果发表在今天的《科学》杂志上。

费城儿童医院Stefano Rivella博士说，“现在，如果想用基因疗法治疗血液疾病，如镰状细胞病和地中海贫血，患者必须接受化疗等调理治疗，为新的、经过校正的血细胞腾出空间，这既昂贵又有风险。在我们的论文中，我们已经证明，在‘one-and-done’的治疗中，有可能直接在体内用校正的血细胞替换患病的血细胞，从而消除了清髓调节治疗的需要，并简化了这些可能改变生活的治疗的交付。这是我们在治疗遗传疾病方面迈出的一大步，可以让最需要基因治疗的患者获得基因治疗。”

宾夕法尼亚大学传染病研究助理教授、资深作者Hamideh Parhiz博士说:“将mRNA编码疗法靶向递送到特定组织和细胞类型，将对未来用核酸治疗疾病的方式产生巨大影响。在我们的研究中，我们提供了一种细胞特异性靶向脂质纳米颗粒封装mRNA治疗/编辑器作为平台技术，可用于许多需要精确靶向基因治疗方式的疾病的体内细胞重编程。

在这里，我们将靶向平台与mRNA治疗和基于RNA的基因组编辑工具的进展相结合，提供了一种控制造血干细胞命运和纠正遗传缺陷的新方法。与目前可用的技术相比，靶向mRNA编码的基因组编辑方法可以控制表达，提高编辑效率，并且可能更安全的体内基因组修饰。”

造血干细胞(hsc)存在于骨髓中，它们一生都在骨髓中分裂，产生血液和免疫系统中的所有细胞。在患有镰状细胞病和免疫缺陷疾病等非恶性造血疾病的患者中，这些血细胞不能正常工作，因为它们携带基因突变。

对于这些患者，目前有两种治疗方法，都涉及骨髓移植：一种是健康供体造血干细胞的干细胞移植，另一种是基因治疗，即在体外对患者自身的造血干细胞进行改造，然后再移植回体内（通常称为体外基因治疗）。前一种方法有移植物抗宿主病的风险，因为造血干细胞来自供体，而且这两种方法都涉及化疗或放疗的调理方案，消除患者患病的造血干细胞，并为它们接受新细胞做好准备。这些调理过程伴随着显著的毒副作用，因此有必要研究低毒性方法。

消除上述方法的一种选择是体内基因编辑，将基因编辑工具直接注入患者体内，允许造血干细胞在不需要调节方案的情况下进行编辑和纠正。

为了验证这种方法，由CHOP的Laura Breda博士和Michael P. triiebwasser博士(目前在密歇根大学)，宾夕法尼亚大学的Tyler E. Papp和Drew Weissman博士领导的研究小组使用液体纳米颗粒(LNP)来传递mRNA基因编辑工具。LNP在包装和向细胞传递mRNA方面非常有效，由于LNP-mRNA平台用于两种领先的COVID-19疫苗，LNP在2020年得到了广泛应用。Weissman博士是宾夕法尼亚大学RNA创新研究所所长，mRNA疫苗研究的先驱。

然而，在COVID-19疫苗的情况下，LNP-mRNA构建体并不针对体内的特定细胞或器官。考虑到研究人员想要特异性地靶向造血干细胞，他们在实验LNPs的表面装饰了能够识别造血干细胞表面上的受体CD117的抗体。然后，他们采用了三种方法来测试CD117/LNP制剂的功效。

首先，研究人员测试了CD117/LNP封装的报告基因mRNA，展示成功的体内mRNA表达和基因编辑。

接下来，研究人员调查了这种方法是否可以用于血液疾病的治疗。他们测试了CD117/LNP封装的mRNA，编码cas9基因编辑器，靶向导致镰状细胞病的突变。这种类型的基因编辑将致病的血红蛋白突变转化为非致病的变体。研究人员在来自镰状细胞病供体的细胞上测试了它们的结构，结果表明CD117/LNP促进了体外有效的碱基编辑，导致功能性血红蛋白相应增加高达91.7%。他们还证明了镰状细胞几乎完全缺失，这种月牙形的血细胞导致了这种疾病的症状。

最后，研究人员探索了LNPs是否可以用于体内调节，这将允许骨髓在没有化疗或放疗的情况下耗尽。为此，他们使用CD117/LNP封装PUMA mRNA, PUMA是一种促进细胞死亡的蛋白质。在一系列的体外、离体和体内实验中，研究人员表明，体内靶向CD117/LNP-PUMA有效地耗尽了HSC，允许成功输注和吸收新的骨髓细胞，这一过程被称为移植，而不需要化疗或放疗。在动物模型中观察到的植入率与报道中使用健康供体骨髓细胞足以治愈严重联合免疫缺陷(SCID)的植入率一致，表明该技术可用于严重免疫缺陷。

费城儿童医院血液学部门的研究助理教授Breda博士说:“这些发现可能会潜在地改变基因治疗，不仅允许以最小的风险在体内进行细胞类型特异性基因修饰，这可能使以前不可能的血液干细胞生理学操作成为可能，而且还提供了一个平台，如果适当调整，可以纠正许多不同的单基因疾病。这种新型的输送系统可能有助于实现几十年来基因和生物医学研究的承诺，消除一系列人类疾病。”

本研究得到了美国国立卫生研究院(NIH拨款5T32HL007150和5T32HL007622)、宾夕法尼亚大学Thomas B. and Jeannette E. Laws McCabe基金和W.W. Smith慈善信托基金的支持。

原文标题：

In vivo hematopoietic stem cell modification by mRNA delivery