Dans une récente étude publiée dans la revue Nano aujourd’hui, les chercheurs ont examiné les nano-vecteurs non viraux utilisés pour fournir le système d’édition du génome médié par Cas9/CRISPR (CRISPR)/Cas9. En particulier, les chercheurs ont examiné les progrès récents de trois nano-vecteurs, à savoir les nano-vecteurs inorganiques à base de lipides, à base de polymères et de polymères.
Étude : Nano-vecteurs pour l’édition du génome médiée par CRISPR/Cas9. Crédit d’image : Meletios Verras/Shutterstock
Arrière-plan
Il convient de noter que les cargaisons d’édition du génome CRISPR/Cas9 comprennent le plasmide d’acide désoxyribonucléique (ADN) Cas9, l’acide ribonucléique (ARNm) messager Cas9 et la ribonucléoprotéine Cas9 (RNP).
L’étude a démontré les applications thérapeutiques des trois composants du système d’édition du génome CRISPR/Cas9, en se concentrant sur leur utilisation dans le traitement des cancers et des maladies génétiques via deux voies majeures d’édition de gènes : la voie de réparation dirigée par l’homologie (HDR) et la non- voie homologue de jonction terminale (NHEJ).
Les nano-vecteurs à base de lipides ont été les premiers à être adaptés pour délivrer de petits ARN interférents (ARNsi) et ARNm. Ils peuvent charger efficacement les trois types de charges utiles, à savoir le plasmide d’ADN Cas9, le RNP Cas9 et l’ARNm Cas9, via une interaction électrostatique, pour des performances de livraison supérieures. Bien que plus sûrs que les nano-vecteurs à base de polymères, les nano-vecteurs à base de lipides présentent une faible stabilité colloïdale lorsqu’ils sont utilisés in vivo.
La faible biodégradabilité de plusieurs compositions inorganiques de polymères, notamment les nanoparticules d’or, la silice, les nanofeuilles de phosphate noir et l’oxyde de graphène, devrait être considérée comme un facteur gênant dans leur traduction clinique.
Livraison sûre et efficace du système d’édition du génome CRISPR/Cas9 in vivo reste difficile. Des approches physiques, y compris l’électroporation, la microinjection et l’injection hydrodynamique, ont été utilisées pour les deux in vitro et ex vivo modification des gènes. Cependant, ces approches n’ont pas pu être adoptées pour la traduction clinique en raison de mauvaises performances d’administration et de complications physiologiques potentielles. La principale préoccupation concernant les vecteurs viraux actuellement utilisés, tels que l’adénovirus et le lentivirus, était la sécurité.
Dans l’ensemble, les nano-vecteurs non viraux présentent de profonds avantages par rapport aux approches physiques et à l’administration basée sur le virus. In vivo, ils préviennent la dégradation du système d’édition du génome CRISPR/Cas9 ; de plus, ils sont généralement plus faciles à mettre à l’échelle, à produire et à modifier chimiquement. De plus, ils sont rentables, ont une grande capacité de conditionnement et une immunogénicité plus faible.
Nano-vecteurs pour la livraison du plasmide ADN Cas9, de l’ARNm Cas9 et du RNP Cas9
Les nano-vecteurs à base de lipides cationiques ont d’abord été adaptés pour le plasmide d’ADN codant CRISPR/Cas9 et l’ARN à guide unique (sgRNA). Dans un travail récent de Jiang et al., des nanoparticules de lipides cationiques modifiés par des phospholipides de polyéthylène glycol (PLNP) ont encapsulé des plasmides d’ADN Cas9 et atteint une efficacité de transfection de plus de 47 % dans des cellules de mélanome malin humain. Cependant, les charges positives des nanovecteurs à base de lipides cationiques introduisent une toxicité dans les systèmes biologiques.
Les chercheurs ont développé des nano-vecteurs à base de polymères à terminaison cholestérol avec une faible cytotoxicité et une efficacité de transfection élevée pour résoudre ce problème. Ceux-ci ont montré un grand potentiel pour le traitement des maladies cardiaques, et leur injection intraveineuse dans des souris C57BL/6 J a induit une perturbation du gène de la fibrilline 1 (Fbn1), entraînant une dilatation du diamètre aortique.
Un groupe de chercheurs a développé un système de nano-vecteur de ciblage sélectif d’organes (SORT) pour cibler sélectivement des tissus spécifiques des poumons, de la rate et du foie. Le système SORT ciblait sélectivement plusieurs types de cellules, notamment les cellules épithéliales, les cellules endothéliales, les lymphocytes B, les lymphocytes T et les hépatocytes, pour les thérapies géniques.
Le in vivo La livraison d’ARNm à l’aide de nanoparticules lipidiques N1, N3, N5-tris(2-aminoéthyl)benzène-1,3,5-tricarboxamide (TT) optimisées a livré l’ARNm Cas9 au foie de souris C57BL/6. Cet ADN du virus de l’hépatite B (VHB) et le gène de la proprotéine convertase subtilisine/kexine de type 9 (Pcsk9) sont thérapeutiquement ciblés.
Récemment, un système de nano-vecteur biodégradable à base de lipides a perturbé de manière significative le gène de la transthyrétine (TTR) de souris dans le foie, obtenant une réduction de plus de 97 % des taux de protéines sériques de TTR. Cet effet a persisté pendant au moins 12 mois via une seule administration systémique, et pourrait donc être utilisé pour traiter des maladies telles que l’amylose TTR et l’hépatite B.
Un autre nano-vecteur d’ARNm Cas9 lipidique remarquable est NTLA-2001. Un essai clinique a rapporté que six patients atteints d’amylose TTR traités avec une dose de NTLA-2001 ont montré une diminution de la concentration sérique de protéine TTR avec seulement des effets indésirables légers au jour 28 après le traitement.
Une large gamme de nano-vecteurs, y compris à base de lipides, à base de polymères et polymères inorganiques, a été développée pour la livraison de Cas9 RNP. Fait intéressant, les nano-vecteurs chargés de Cas9 RNP peuvent entrer directement dans le noyau pour effectuer l’édition du génome médiée par CRISPR/Cas9.
Un nano-vecteur à base de poly (d,l-lactide-co-glycolide) (PLGA) pour l’administration de Cas9 RNP perturbe le promoteur du gène de la γ-globine dans les cellules érythroïdes, abolissant la liaison des répresseurs transcriptionnels de l’hémoglobine fœtale (HbF), offrant une thérapeutique solution pour les hémoglobinopathies.
En raison de leur grande surface, des nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN) ont été utilisées pour concevoir un nano-vecteur lipoMSN qui a permis un chargement électrostatique efficace de Cas9 RNP.
Son administration à des souris C57BL/6 J a entraîné une réduction significative des taux sériques de triglycérides et de cholestérol, perturbant deux gènes – Pcsk9 et angiopoïétine-like 3 (Angptl3).
conclusion
L’étude a montré la faisabilité d’administrer le plasmide d’ADN Cas9, l’ARNm et le RNP de manière systémique ou locale dans les organes affectés par des troubles génétiques ou des cancers, notamment le cerveau, les yeux, les poumons, le foie, les muscles et les tumeurs.
À l’avenir, les vecteurs non viraux pourraient devenir des porteurs efficaces des cargaisons génétiques CRISPR/Cas9 qui interviennent dans les perturbations de plusieurs oncogènes, tels que le gène programmé de mort-ligand 1 (PD-L1), pour un traitement plus efficace des cellules cancéreuses.
Une autre application des nano-vecteurs non viraux pourrait être le traitement des troubles génétiques. Conceptuellement, la correction ou l’insertion de gènes peut traiter la plupart des maladies génétiques, car elles ne se manifestent qu’en raison de mutations uniques ou multiples dans les gènes respectifs. Cependant, les progrès dans l’insertion de gènes thérapeutiques à long cadre n’ont pas été très fructueux jusqu’à présent, l’insertion de gène basée sur NHEJ est apparemment adaptable pour obtenir une insertion médiée par CRISPR/Cas9 plus efficace. in vivo.
Les nano-vecteurs à base de lipides ont délivré avec succès et efficacement les vaccins à ARNm contre le coronavirus 2 (SRAS-CoV-2) du syndrome respiratoire aigu sévère ; cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires avant que les nano-vecteurs de nouvelle génération susceptibles de fournir le système d’édition du génome CRISPR/Cas9, en particulier l’ARNm Cas9, ne deviennent disponibles.
Les recherches futures pourraient atténuer ou supprimer les problèmes liés aux nano-vecteurs non viraux, tels que la toxicité, la dispersion de la taille, la pureté, les sous-produits, la fabrication à grande échelle et l’évolutivité. Pourtant, ils devraient se conformer aux réglementations actuelles sur les bonnes pratiques de fabrication (CGMP).
Après avoir satisfait aux exigences susmentionnées, les nano-vecteurs de nouvelle génération fournissant le système d’édition du génome CRISPR/Cas9 pour le traitement des cancers et des troubles génétiques deviendraient disponibles pour des applications cliniques.
