一项新研究表明，一种生物医学工具可以成功传递遗传物质，以编辑胎儿脑细胞发育过程中的错误基因。这项技术已在小鼠身上进行了测试，可能具有在出生前阻止遗传性神经发育疾病(如Angelman综合征和Rett综合征)进展的潜力。

独特的mRNA传递方法可以在出生前修复有缺陷的基因

“这种工具对于治疗神经发育疾病具有深远的意义。我们可以在大脑发育的关键时期从基础层面纠正基因异常，”这项研究的资深作者、加州大学戴维斯分校外科和生物医学工程教授王爱军说。

这项研究是王实验室和加州大学伯克利分校的穆尔蒂实验室合作完成的，发表在《ACSNano》上。该团队希望将这项技术发展为可以在产前检测中诊断出的遗传疾病的治疗方法。治疗可以在子宫内进行，以避免随着细胞发育和成熟而造成更多损害。

具有革命性运送方式的复杂运输系统

蛋白质在我们身体的运作中起着至关重要的作用。它们根据信使RNA(mRNA)的指令在细胞中组装。在某些遗传条件下，基因表达(产生)的蛋白质多于或少于身体所需的蛋白质。在这种情况下，身体可能会失调，需要抑制过度活跃的基因或补充低蛋白质水平。

“蛋白质的结构庞大而复杂，这使得它们很难被递送，”王教授说。“它们的递送仍然是一个巨大的挑战，也是治疗疾病的一个梦想。”

科学家们找到了一种将mRNA输送到细胞中的方法，而不是输送蛋白质，这些mRNA将在细胞内转化为功能性蛋白质。这种输送方法使用独特的脂质纳米颗粒(LNP)配方来携带mRNA。目的是将mRNA遗传物质引入(转染)细胞。然后mRNA会翻译指令来构建蛋白质。

使用LNP递送mRNA已经改变了疾病治疗。它可用于疫苗开发、基因编辑和蛋白质替代疗法。最近，mRNA递送因其在辉瑞和ModernaCOVID-19疫苗中的应用而变得越来越流行。

LNP递送mRNA效率的重要性

在最近的《自然纳米技术》论文中，Wang、Murthy及其团队描述了一种新的LNP配方，可以安全有效地递送mRNA。携带mRNA的LNP需要到达细胞，然后通过一种称为内吞作用的过程被吸收。在那里，细胞会破坏LNP载体，从而释放mRNA货物。

一个mRNA的大小约为100纳米。相比之下，一张纸的厚度约为100,000纳米。

“本研究开发的LNP使用了一种新的酸降解连接体，使LNP能够在细胞内快速降解。这种新的连接体还能使LNP经过改造，具有更低的毒性，”加州大学伯克利分校生物工程学教授、该项目联合研究员NirenMurthy说道。

“当细胞吸收LNP时，这些颗粒会在细胞内体的酸性环境中降解。这会导致mRNA更高效、更早地释放到细胞溶胶中，细胞溶胶是细胞内的液体成分，mRNA会在这里转化为蛋白质。我们希望mRNA能够在这里有效发挥作用，”王解释说。

效率与毒性密切相关。因此，了解细胞需要摄取多少LNP载体才能产生足够的蛋白质非常重要。如果摄取效率低，科学家将需要使用大量纳米颗粒。这意味着多次剂量或高剂量可能会引起毒性免疫反应。

王说：“到目前为止，将mRNA传递到中枢神经系统的最大障碍是导致炎症的毒性。”

研究表明，LNP方法在mRNA翻译方面更有效率，从而减少了对潜在毒性剂量的需求。

胎儿大脑中神经干细胞和祖细胞被LNPs传递的CremRNA转染后的染色。图片来源：加州大学戴维斯分校

发送构建基因编辑用CAS9酶的手册

这项新研究描述了使用LNP技术进行Cas9mRNA传递以治疗子宫内中枢神经系统遗传疾病。研究人员在导致一种罕见神经发育疾病——天使综合征的基因上测试了他们的工具。

对于遗传性疾病，损伤会在妊娠期间和出生后不久积累。研究表明，在婴儿的血脑屏障完全形成之前对脑细胞进行治疗更有效。因此，越早进行纠正越好。这个想法是为了阻止子宫内的疾病进展。

研究人员将含有mRNA的LNP注射到小鼠模型的胎儿脑室中。mRNA翻译成CAS9，这是一种像剪刀一样用于基因编辑的蛋白质。产生的CAS9将编辑导致Angelman综合征的基因。

“mRNA就像乐高手册，上面有将各个部分组合在一起形成功能性蛋白质的说明。细胞本身拥有构建CAS9的所有部分。我们只需提供mRNA序列，细胞就会将其转化为蛋白质，”王解释说。

发现

研究表明，LNP工具能够高效传递翻译成CAS9的mRNA。

研究人员利用示踪剂可以看到大脑内所有被编辑的神经元。他们的研究表明，纳米粒子被大脑正在发育的神经干细胞和祖细胞吸收。纳米粒子导致小鼠模型中30%的大脑干细胞发生基因编辑。

“转染30%的全脑，尤其是干细胞，是一件大事。随着胎儿进一步发育，这些细胞会迁移并扩散到大脑的许多地方，”王说。

研究中，随着胎儿的不断发育，干细胞不断增殖和迁移，形成了中枢神经系统。研究发现，海马体中超过60%的神经元和皮层中40%的神经元被转染。

“对于影响中枢神经系统的遗传疾病来说，这是一种非常有前景的方法。当婴儿出生时，许多神经元可能已经得到纠正。这意味着婴儿出生时可能没有任何症状，”王解释说。

王预计在患病小鼠模型中转染细胞的比例会更高。

“发生突变的坏神经元可能会因疾病症状的积累而被杀死，而好神经元可能会留下来并增殖。这可能会提高治疗效率。如果我们足够了解细胞的工作原理，我们就可以利用这些知识与细胞中自然发生的途径进行合作，”他说。