Naukowcy opracowali nowy system dostarczania odczynników metody CRISPR/Cas do komórek mózgowych, gdzie sprawują one swoją funkcję, czyli edytują geny.
CRISPR/Cas to bardzo precyzyjna metoda inżynierii genetycznej, polegająca na przecinaniu materiału genetycznego w dowolnym miejscu. Oparta jest ona na naturalnym mechanizmie występującym w komórkach bakteryjnych Escherichia coli, który służy do obrony przed atakiem wirusów atakujących komórkę bakteryjną (bakteriofagów). Podczas gdy DNA wirusa wniknie do wnętrza komórki bakteryjnej, ta wytwarza specjalne odcinki RNA, które po odpowiedniej modyfikacji tworzą gRNA, stanowiąc wzorzec wirusa. Cząsteczki gRNA funkcjonują jak „przewodnicy”, które doprowadzają enzym Cas do docelowego miejsca w genomie. System CRISPR-Cas można tak zaprogramować za pomocą RNA, by modyfikował dowolne DNA. Jest to jedno z najważniejszych odkryć naukowych w historii genetyki, wykorzystywane w terapiach genowych.
W przytaczanym nowym podejściu, naukowcy przedstawiają nowatorski system dostarczania, umożliwiający wysyłanie odczynników CRISPR do komórek mózgowych, w których edytują geny. W tym podejściu nanocząsteczka udostępnia komórkom instrukcje dotyczące budowania odczynników CRISPR i prawidłową sekwencję genów w celu naprawy defektu genu. Metoda ma również na celu naprawę zmian genetycznych na bardzo wczesnych etapach rozwoju. Chociaż potrzebne będą dalsze badania, badacze mają nadzieję, że technika ta zostanie ostatecznie wykorzystana do leczenia zmian genetycznych, wykrytych już podczas badań prenatalnych. Praca została opisana na łamach czasopisma ASC Nano.
„Implikacje tego narzędzia dla leczenia chorób neurorozwojowych są znaczące. Możemy potencjalnie korygować anomalie genetyczne na poziomie fundamentalnym w krytycznych okresach rozwoju mózgu” – powiedział współautor badania Aijun Wang, profesor na UC Davis.
Białka mają trójwymiarową strukturę, a niektóre z nich są dość duże i złożone. Może to być prawdą, niezależnie od tego, czy białko pełni kluczową funkcję w ludzkiej komórce, czy też jest enzymem wchodzącym w skład systemu edycji genów CRISPR-Cas9. Ze względu na to, że białka są tak trudne do transportu do komórek, naukowcy skupili się na wykorzystaniu cząsteczek mRNA, które są tłumaczone przez komórkę na białka. Podczas gdy komórki mogą tłumaczyć własne cząsteczki mRNA, będą również tłumaczyć cząsteczki, które kodują takie białka jak enzym Cas9, który może ciąć genom. Badacze dostarczyli więc mRNA dla odczynników CRISPR, a także prawidłową cząsteczkę mRNA, aby naprawić błąd genetyczny w komórkach mózgowych.
W tym celu naukowcy opracowali system, który opiera się na cząsteczkach lipidowych. Te wyspecjalizowane nanocząsteczki lipidowe (LNP) wysyłają mRNA do komórek, gdzie mRNA jest tłumaczone na funkcjonalne białka. Technologia ta została niedawno opisana w artykule opublikowanym na łamach czasopisma Nature Nanotechnology. Komórki pobierają LNP w procesie zwanym endocytozą, rozbijając nośnik LNP i uwalniając mRNA do komórki.
„LNP opracowane w tym badaniu wykorzystują nowy, degradowalny kwasem łącznik, który umożliwia LNP szybką degradację wewnątrz komórek. Nowy łącznik umożliwia również zaprojektowanie LNP tak, aby miały niższą toksyczność” – zauważył autor badania Niren Murthy, profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
Naukowcy zauważyli również, że to podejście będzie działać najlepiej, jeśli komórki będą skutecznie pobierać LNP, więc trzeba będzie dostarczyć ich mniej. Zbyt wysoka ilość może prowadzić do problemów, takich jak toksyczność i stan zapalny. Ustalono, że można stosować niskie dawki LNP, utrzymując stan zapalny na niskim poziomie.
Zespół badawczy wykorzystał LNP do transportu systemu Cas9 i cząsteczek korygujących do modelu myszy. Badacze zaznaczyli, że korekta ta musi zostać wykonana przed przekroczeniem bariery krew-mózg, aby zapobiec chorobie, którą próbowano leczyć, czyli zespół Angelmana.
Naukowcy wykorzystali cząsteczki znacznikowe do obserwowania działania i zaobserwowali, że nanocząsteczki są pobierane do neuronalnych komórek macierzystych i progenitorowych w mózgu myszy. Około jedna trzecia neuronalnych komórek macierzystych w ich modelu została skorygowana.
„Transfekcja 30% całego mózgu, zwłaszcza komórek macierzystych, to zaawansowana procedura. Komórki te migrują i rozprzestrzeniają się w wielu miejscach w mózgu w miarę dalszego rozwoju płodu” – powiedział Wang.
Komórki macierzyste nadal rosły i przemieszczały się w rozwijającym się mózgu, gdy tworzył się ośrodkowy układ nerwowy tych myszy. Wykazano, że ponad 60% neuronów hipokampa i 40% neuronów korowych zostało genetycznie zmienionych w wyniku leczenia.
„Jest to bardzo obiecująca metoda leczenia chorób genetycznych, wpływających na ośrodkowy układ nerwowy. Kiedy dzieci się rodzą, wiele neuronów może zostać skorygowanych. Oznacza to, że dziecko może urodzić się bez żadnych objawów” – wyjaśnił Wang.
Jeszcze większa liczba neuronów może być również dotknięta chorobą w mysim modelu, zauważył Wang. Możliwe, że dysfunkcyjne neurony obumarłyby, a na ich miejsce pojawiłyby się zdrowe neurony. W takim przypadku efekt terapeutyczny mógłby być jeszcze bardziej znaczący, choć potrzebne będą dalsze badania, aby ustalić, czy jest to prawdą.
Na podstawie: labroots.com