弗雷德·哈钦森癌症研究中心的科学家通过简化基因编辑指令传递给细胞的方式，朝着使基因疗法更实用的方向迈出了一步。据《自然材料》 5月27日报道，他们使用金纳米颗粒代替灭活病毒，在艾滋病毒和遗传性血液疾病的实验室模型中安全地提供了基因编辑工具。

这是首次使用载有CRISPR的金纳米粒子编辑罕见但功能强大的血液干细胞子集（所有血细胞的来源）中的基因。携带CRISPR的金纳米颗粒可在血液干细胞中成功进行基因编辑，且无毒副作用。

“随着基因疗法进入临床试验并为患者所用，我们需要一种更实用的方法，” Fred Hutch临床研究部助理成员詹妮弗·阿黛尔博士说，并补充说目前的执行方法基因疗法是全球数百万人无法获得的。“我想找到一种更简单的方法，可以将基因编辑被动地传递给血干细胞。”

尽管CRISPR使向基因组精确传递基因修饰变得更快，更容易，但仍然存在挑战。让细胞接受CRISPR基因编辑工具会涉及小的电击，这会损坏甚至杀死细胞。而且，如果需要精确的基因编辑，则必须设计额外的分子来交付它们-增加成本和时间。

金纳米粒子是一种有前途的替代方法，因为这些微小球体的表面（大约是食盐颗粒的十亿分之一的大小）可以使其他分子轻松粘附并保持粘附。

弗雷德·哈奇博士后研究员Reza Shahbazi博士说：“我们设计了金纳米颗粒，使其能够快速穿过细胞膜，躲避试图破坏它们的细胞器并直接进入细胞核以编辑基因。”用于药物和基因的交付长达七年。

Shahbazi用实验室级的金制成了金颗粒，这些金经过提纯后以液体形式装在小实验室瓶中。他将纯化的金混合到溶液中，该溶液使各个金离子形成微小的颗粒，然后研究人员对其尺寸进行了测量。他们发现，一个特定的大小（宽19纳米）是最佳的选择，因为它既大又粘，可以在颗粒表面添加基因编辑材料，同时又足够小，以使细胞能够吸收它们。

弗雷德·哈奇（Fred Hutch）团队将这些基因编辑成分包装在金颗粒上，添加了以下这些基因编辑成分（可用图表）：

一种称为crRNA的分子向导作为遗传GPS来显示CRISPR复合物在基因组中进行切割的位置。

CRISPR核酸酶蛋白（通常称为“遗传剪刀”）在DNA中进行切割。最常用的CRISPR核酸酶蛋白是Cas9。但是弗雷德·哈奇（Fred Hutch）的研究人员还研究了Cas12a（以前称为Cpf1），因为Cas12a在DNA中进行了交错切割。研究人员希望这将使细胞能够更有效地修复切口，同时将新的遗传指令嵌入细胞中。与Cas9相比，Cas12a的另一个优势是它仅需要一个分子向导，这很重要，因为纳米粒子的空间有限。Cas9需要两个分子向导。

有关要进行哪些基因改变的说明（“ ssDNA”）。弗雷德·哈奇（Fred Hutch）团队选择了两个具有遗传性的遗传变化来赋予对疾病的保护：CCR5（可防止HIV）和伽玛血红蛋白（可防止镰刀状细胞病和地中海贫血等血液疾病）。

聚乙烯亚胺的涂层使粒子表面拥挤，使它们带有更多的正电荷，这使它们更容易被细胞吸收。这是对另一种使细胞吸收基因编辑工具的方法（称为电穿孔）的一种改进，该方法包括轻轻震荡细胞以使其打开并允许遗传指令进入。

然后，研究人员分离出了血液干细胞，其表面具有一种称为CD34的蛋白质标记。这些CD34阳性细胞含有造血祖细胞，这些祖细胞会引起全血和免疫系统的发育。

阿黛尔说：“这些细胞每天都会补充体内的血液，使其成为一次性基因疗法的良好候选者，因为随着细胞的自我更新，这种疗法将持续一生。”

研究人员观察了实验室培养皿中的人类血液干细胞，发现其满载的金纳米颗粒在添加后六小时内自然被细胞吸收，并且可以在24至48小时内看到基因编辑发生的情况。他们观察到，与更常用的cas9蛋白伴侣相比，Cas12a CRISPR蛋白伴侣在向细胞提供非常精确的遗传编辑方面效果更好。

在研究人员将细胞注射到小鼠模型中八周后，基因编辑作用达到了高峰。注射后22周，编辑过的细胞仍然在那里。弗雷德·哈奇（Fred Hutch）的研究人员还在小鼠模型的骨髓，脾脏和胸腺中发现了经过编辑的细胞，这表明这些器官中分裂的血细胞可以继续进行治疗，而无需再次治疗小鼠。

阿代尔说：“我们相信我们是艾滋病和血红蛋白病这两种疾病的理想人选，尽管我们还在评估其他的目标，这些目标可能对微小的基因变化产生重大影响，并做出更大的基因变化。” 下一步是增加每个细胞中发生基因编辑的数量，这绝对是可行的。这将使其更接近成为一种有效的疗法。”

在这项研究中，研究人员报告说有10％到20％的细胞进行了基因编辑，这是一个有希望的开端，但是研究人员希望针对50％或更多的正在编辑的细胞，他们相信这样做会很好与这些疾病作斗争的机会。

Adair和Shahbazi正在寻找商业合作伙伴，以将该技术开发为人们的疗法。他们希望在几年内开始临床试验。

除Adair和Shahbazi之外，其他合著者还有Gabriella Sghia-Hughes，Jack L. Reid，Sara Kubek，Kevin G. Haworth，Olivier Humbert和Hans-Peter Kiem，都是Fred Hutch。弗雷德·哈奇（Fred Hutch）的资金支持了这项研究，包括常绿基金和Hartwell基金会，并获得了美国国立糖尿病，消化与肾病研究所的血液学卓越合作中心的试点研究奖。