Avec le pouvoir de réécrire le code génétique sous-jacent d'innombrables maladies, CRISPR tient une immense promesse de révolutionner la médecine. Mais jusqu'à ce que les scientifiques puissent livrer ses machines d'édition génétique en toute sécurité et efficacement dans les cellules et les tissus pertinents, cette promesse restera hors de portée.
Désormais, les chimistes de l'Université du Nord-Ouest ont dévoilé un nouveau type de nanostructure qui améliore considérablement la livraison CRISPR et étend potentiellement sa portée de l'utilité.
Appelés des acides nucléiques sphériques nanoparticules lipidiques (LNP-SNA), ces minuscules structures transportent l'ensemble complet d'outils d'édition CRISPR – enzymes Cas9, guide de l'ARN et un modèle de réparation d'ADN – enveloppé dans une coquille protectrice dense d'ADN. Non seulement ce revêtement d'ADN protégeait sa cargaison, mais il dicte également les organes et les tissus auxquels les LNP se déplacent et leur facilitent la pénétration des cellules.
Dans les tests de laboratoire à travers divers types de cellules humaines et animales, les LNP-SNA sont entrés jusqu'à trois fois plus efficacement les cellules que les systèmes d'administration de particules lipidiques standard utilisés pour les vaccins Covid-19, ont provoqué une toxicité beaucoup moins toxique et une efficacité de l'édition des gènes stimulée. Les nouvelles nanostructures ont également amélioré le taux de réussite des réparations précises de l'ADN de plus de 60% par rapport aux méthodes actuelles.
L'étude sera publiée le 5 septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
L'étude ouvre la voie à des médicaments génétiques plus sûrs et plus fiables et souligne l'importance de la façon dont la structure d'un nanomatériau – plutôt que ses ingrédients seuls – peut déterminer sa puissance. Ce principe sous-tend la nanomédecine structurelle, un champ émergent lancé par le Chad A. Mirkin de Northwestern et ses collègues et poursuivi par des centaines de chercheurs du monde entier.
« CRISPR est un outil incroyablement puissant qui pourrait corriger les défauts des gènes pour réduire la sensibilité aux maladies et même éliminer la maladie elle-même », a déclaré Mirkin, qui a dirigé la nouvelle étude. « Mais il est difficile de faire entrer CRISPR dans les cellules et les tissus qui comptent. Atteindre et entrer dans les bonnes cellules – et les bons endroits à l'intérieur de ces cellules – nécessite un miracle mineur. En utilisant SNAS pour livrer la machine requise pour l'édition de gènes, nous avons visé à maximiser l'efficacité de CRISPR et à développer le nombre de types de cellules et de tissus auxquels nous pouvons le livrer. »
Pionnier de la nanotechnologie et de la nanomédecine, Mirkin est le professeur de chimie de George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern; Professeur de génie chimique et biologique, d'ingénierie biomédicale et de sciences et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering; professeur de médecine à la Feinberg School of Medicine; Directeur exécutif de l'Institut international de nanotechnologie; et membre du Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center de la Northwestern University.
Crispr a besoin d'un tour
Lorsque la machinerie CRISPR atteint sa cible à l'intérieur d'une cellule, il peut désactiver les gènes, fixer des mutations, ajouter de nouvelles fonctions et plus encore. Mais les machines CRISPR ne peuvent pas entrer dans les cellules par elle-même. Il a toujours besoin d'un véhicule de livraison.
Actuellement, les scientifiques utilisent généralement des vecteurs viraux et des nanoparticules lipidiques (LNP) pour remplir cette fonction. Naturellement bon pour se faufiler dans les cellules, les virus sont efficaces, mais ils peuvent faire monter le corps humain à monter une réponse immunitaire, conduisant à des effets secondaires douloureux ou même dangereux. Les LNP, en revanche, sont plus sûrs mais inefficaces. Ils ont tendance à rester coincés dans des endosomes ou des compartiments dans la cellule, où ils ne peuvent pas libérer leur cargaison.
Seule une fraction de la machinerie CRISPR se rend en fait dans la cellule et même une fraction plus petite le fait tout le long du noyau. Une autre stratégie consiste à éliminer les cellules du corps, à injecter les composants CRISPR, puis à remettre les cellules. Comme vous pouvez l'imaginer, c'est extrêmement inefficace et peu pratique. «
Chad A. Mirkin, Northwestern University
Un taxi enveloppé d'ADN
Pour surmonter cette barrière, l'équipe de Mirkin s'est tournée vers SNAS, qui sont des formes globulaires – plutôt que linéaires – d'ADN et d'ARN précédemment inventées dans le laboratoire de Mirkin à Northwestern. Le matériau génétique sphérique entoure un noyau de nanoparticule, qui peut être rempli de cargaison. Environ 50 nanomètres de diamètre, les minuscules structures possèdent une capacité éprouvée à pénétrer dans les cellules pour la livraison ciblée. Sept thérapies à base de SNA sont déjà dans des essais cliniques humains, y compris un essai clinique de phase 2 pour le carcinome à cellules de Merkel développé par Flashpoint Therapeutics, une startup de biotechnologie à stade clinique.
Dans la nouvelle étude, l'équipe de Mirkin a commencé avec un noyau LNP transportant la machinerie CRISPR à l'intérieur. Ensuite, ils ont décoré la surface de la particule avec une couche dense de courtes brins d'ADN. Parce que l'ADN peut interagir avec les récepteurs de surface d'une cellule, les cellules absorbent facilement les SNA. L'ADN peut également être conçu avec des séquences qui ciblent les types de cellules spécifiques, ce qui rend la livraison plus sélective.
« Des modifications simples de la structure de la particule peuvent changer considérablement la façon dont une cellule le prend », a déclaré Mirkin. « L'architecture SNA est reconnue par presque tous les types de cellules, donc les cellules prennent activement le SNAS et les internalisent rapidement. »
Alimentation des performances à tous les niveaux
Après avoir synthétisé avec succès les LNP-SNA avec le cargaison CRISPR, Mirkin et son équipe les ont ajoutés aux cultures cellulaires, qui comprenaient des cellules cutanées, des globules blancs, des cellules souches de la moelle osseuse humaine et des cellules rénales humaines.
Ensuite, l'équipe a observé et mesuré plusieurs facteurs clés: comment les cellules ont intégré efficacement les particules, si les particules étaient toxiques pour les cellules et si les particules ont réussi un gène. Ils ont également analysé l'ADN des cellules pour déterminer si CRISPR avait effectué les modifications du gène souhaité. Dans chaque catégorie, le système a démontré sa capacité à fournir avec succès des machines CRISPR et à permettre des modifications génétiques complexes.
Ensuite, Mirkin prévoit de valider davantage le système dans plusieurs modèles de maladies in vivo. Parce que la plate-forme est modulaire, les chercheurs peuvent l'adapter pour un large éventail de systèmes et d'applications thérapeutiques. Northwestern Biotechnology Spin-Out Flashpoint Therapeutics commercialise la technologie dans le but de le déplacer rapidement vers des essais cliniques.
« CRISPR pourrait changer tout le domaine de la médecine », a déclaré Mirkin. « Mais la façon dont nous concevons le véhicule de livraison est tout aussi importante que les outils génétiques eux-mêmes. En épouser deux biotechnologies puissantes – CRISPR et SNAS – nous avons créé une stratégie qui pourrait débloquer le plein potentiel thérapeutique de Crispr. »
L'étude, « Une stratégie d'édition générale du génome utilisant des acides nucléiques sphériques de nanoparticules lipidiques CRISPR », a été soutenu par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force (numéro de récompense FA9550-22-1-0300), la National Science Foundation (Numéro de récompense DMR-2428112) et Edgar H. Bachrach par le biais de la Bachrach Foundation.
