Des nanoparticules uniques peuvent emballer et fournir des machines d’édition de gènes au foie

La technologie d’édition du génome CRISPR est apparue comme un nouvel outil puissant qui peut changer la façon dont nous traitons les maladies. Le défi lors de la modification de la génétique de nos cellules, cependant, est de savoir comment le faire en toute sécurité, efficacement et en ciblant spécifiquement le gène, le tissu et l’organe qui nécessitent un traitement.

Des scientifiques de l’Université Tufts et du Broad Institute de Harvard et du MIT ont développé des nanoparticules uniques composées de lipides – des molécules de graisse – capables de conditionner et de fournir des machines d’édition de gènes spécifiquement au foie.

Dans une étude publiée aujourd’hui dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, ils ont montré qu’ils pouvaient utiliser les nanoparticules lipidiques (LNP) pour délivrer efficacement la machinerie CRISPR dans le foie des souris, entraînant une modification spécifique du génome et une réduction du taux de cholestérol sanguin jusqu’à 57% – une réduction qui peut durer au moins plusieurs mois avec un seul coup.

Le problème de l’hypercholestérolémie sévit dans plus de 29 millions d’Américains, selon les Centers for Disease Control and Prevention. La maladie est complexe et peut provenir de plusieurs gènes ainsi que de choix nutritionnels et de mode de vie, elle n’est donc pas facile à traiter. Cependant, les chercheurs de Tufts et Broad ont modifié un gène qui pourrait fournir un effet protecteur contre un taux de cholestérol élevé s’il pouvait être arrêté par l’édition de gènes.

Le gène sur lequel les chercheurs se sont concentrés code pour l’enzyme de type angiopoïétine 3 (Angptl3). Cette enzyme atténue l’activité d’autres enzymes – les lipases – qui aident à décomposer le cholestérol. Si les chercheurs peuvent assommer le Angptl3 gène, ils peuvent laisser les lipases faire leur travail et réduire le taux de cholestérol dans le sang. Il s’avère que certaines personnes chanceuses ont une mutation naturelle dans leur Angptl3 gène, conduisant à des niveaux constamment bas de triglycérides et de cholestérol à lipoprotéines de basse densité (LDL), communément appelés «mauvais» cholestérol, dans leur circulation sanguine sans aucun inconvénient clinique connu.

Si nous pouvons reproduire cette condition en éliminant le angptl3 gène dans d’autres, nous avons de bonnes chances d’avoir une solution sûre et à long terme à l’hypercholestérolémie. Nous devons simplement nous assurer que nous livrons le package d’édition de gènes spécifiquement au foie afin de ne pas créer d’effets secondaires indésirables. « 

Qiaobing Xu, auteur correspondant à l’étude et professeur agrégé, génie biomédical, École d’ingénierie, Université Tufts

L’équipe de Xu a pu faire précisément cela dans des modèles de souris. Après une seule injection de nanoparticules lipidiques remplies d’ARNm codant pour CRISPR-Cas9 et d’un ciblage d’ARN à guide unique Angptl3, ils ont observé une réduction profonde du cholestérol LDL jusqu’à 57% et des taux de triglycérides d’environ 29%, les deux étant restés à ces niveaux abaissés pendant au moins 100 jours.

Les chercheurs pensent que l’effet peut durer beaucoup plus longtemps que cela, peut-être limité uniquement par le lent renouvellement des cellules du foie, qui peut se produire sur une période d’environ un an. La réduction du cholestérol et des triglycérides dépend de la dose, de sorte que leurs niveaux pourraient être ajustés en injectant moins ou plus de LNP en un seul coup, ont déclaré les chercheurs.

En comparaison, une version existante et approuvée par la FDA de LNP chargés d’ARNm CRISPR ne pouvait réduire que le cholestérol LDL d’au plus 15,7% et les triglycérides de 16,3% lorsqu’elle a été testée chez la souris, selon les chercheurs.

L’astuce pour créer un meilleur LNP consistait à personnaliser les composants – les molécules qui se rassemblent pour former des bulles autour de l’ARNm. Les LNP sont constitués de lipides à longue chaîne qui ont une tête chargée ou polaire attirée par l’eau, une queue de chaîne de carbone qui pointe vers le milieu de la bulle contenant la charge utile et un lieur chimique entre eux. Le polyéthylène glycol est également présent, et oui, même du cholestérol – qui a un rôle normal dans les membranes lipidiques pour les rendre moins fuyantes – pour mieux retenir leur contenu.

Les chercheurs ont découvert que la nature et le rapport relatif de ces composants semblaient avoir des effets profonds sur la délivrance d’ARNm dans le foie, ils ont donc testé les LNP avec de nombreuses combinaisons de têtes, queues, lieurs et ratios parmi tous les composants pour leur capacité à cibler le foie. cellules.

Parce que la puissance in vitro d’une formulation de LNP reflète rarement ses performances in vivo, ils ont directement évalué la spécificité et l’efficacité de la délivrance chez les souris qui ont un gène rapporteur dans leurs cellules qui s’allume en rouge lors de l’édition du génome. En fin de compte, ils ont trouvé un LNP chargé d’ARNm CRISPR qui n’éclairait que le foie chez la souris, montrant qu’il pouvait fournir spécifiquement et efficacement des outils d’édition de gènes dans le foie pour faire leur travail.

Les LNP ont été construits sur des travaux antérieurs chez Tufts, où Xu et son équipe ont développé des LNP avec une efficacité allant jusqu’à 90% pour fournir l’ARNm dans les cellules. Une caractéristique unique de ces nanoparticules était la présence de liaisons disulfure entre les longues chaînes lipidiques. En dehors des cellules, les LNP forment une structure sphérique stable qui verrouille leur contenu.

Lorsqu’ils sont à l’intérieur d’une cellule, l’environnement à l’intérieur rompt les liaisons disulfure pour démonter les nanoparticules. Le contenu est ensuite libéré rapidement et efficacement dans la cellule. En empêchant les pertes à l’extérieur de la cellule, les LNP peuvent avoir un rendement beaucoup plus élevé pour livrer leur contenu.

« CRISPR est l’un des outils thérapeutiques les plus puissants pour le traitement des maladies avec une étiologie génétique. Nous avons récemment vu la première piste clinique humaine pour la thérapie CRISPR permise par l’administration de LNP à être administrée par voie systémique pour éditer les gènes à l’intérieur du corps humain. La plate-forme développée ici présente un grand potentiel pour la traduction clinique », a déclaré Min Qiu, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Xu à Tufts. « Nous envisageons qu’avec cette plate-forme LNP en main, nous pourrions désormais faire de CRISPR une approche pratique et sûre pour traiter un large éventail de maladies ou de troubles hépatiques », a déclaré Zachary Glass, étudiant diplômé du laboratoire Xu. Qiu et Glass sont les co-premiers auteurs de l’étude.