“魔法剪刀”CRISPR-Cas9搭车“DNA纳米纱团”进入细胞核？！

【新闻事件】：北卡州立和北卡大学的科学家最近在Angew Chemie（应用化学）杂志上报道一种能把“魔法剪刀”CRISPR-Cas9有效地送入细胞核的纳米技术。这种被称为“DNA纳米纱团”的药物输送载体需要根据CRISPR-Cas9的单导RNA（single guide RNA）序列“量身定做”，合成的单链DNA随后自组装形成能吸附CRISPR-Cas9复合物的“DNA纳米纱团”。再加载一层聚乙二胺外壳之后，这种CRISPR-Cas9—“DNA纳米纱团”纳米粒能顺利进入细胞和细胞核并实现CRISPR-Cas9的基因编辑功能。“DNA纳米纱团”是“首次“在体外和体内证明把CRISPR-Cas9复合物一起送进细胞核并实现基因编辑功能的药物输送体系。

【药源解析】：药源最近报道，CRISPR-Cas9作为一种简单且又实用的基因编辑工具已经得到包括比尔盖茨、谷歌在内的投资大鳄们的承认，以CRISPR-Cas9为核心技术的Editas公司获得了这些投资高手的1.2亿美元融资。虽然CRISPR-Cas9技术最近才“出道”，但相比其它基因改造平台，比如巨核酶（meganucleases）、锌指核酶（zinc-finger nucleases）以及TALEN（transcription activator-like effector nuclease）技术已经显示明显优势。遗憾的是CRISPR-Cas9作为单导RNA和Cas9水解酶的复合物也有明显缺陷，就是这些高度阴离子化的核酸和蛋白质无法渗透细胞膜进入细胞。而“DNA纳米纱团”试图从一个侧面解决这个难题。

如上图所示，“DNA纳米纱团”输送平台包括四个主要步骤：（一）“DNA纳米纱团”的制备。北卡州立和北卡大学的联合课题组通过“滚环DNA扩增技术”（Rolling Circle Amplification，RCA）合成含有一段和CRISPR-Cas9单导RNA互补的，而且含有重复的反向DNA片段的单链DNA。这种DNA随之自组装形成一种象“纱团”一样的DNA纳米粒；（二）装载CRISPR-Cas9。“DNA纳米纱团”能通过互补的DNA序列“吸附”CRISPR-Cas9复合物；（三）阳离子外壳涂层。在吸附了CRISPR-Cas9的“DNA纳米纱团”外层涂上聚乙二胺（PEI）外壳以增加纳米粒的稳定性；（四）进入细胞核并实现基因编辑功能。装载有CRISPR-Cas9的高度阳离子化的“DNA纳米纱团“纳米粒能通过内化进入细胞，再通过Cas9融合多肽进入细胞核并实现基因编辑。整个过程大致需要6小时。

“DNA纳米纱团”作为一种RNA/蛋白质输送平台和传统技术相比有许多优势。首先，“DNA纳米纱团”能直接把sgRNA和Cas9水解酶直接输送进细胞，而不是象之前的DNA表达系统那样在细胞内“即时合成“，这样有效地控制了”给药“剂量。其次，“DNA纳米纱团”输送平台的效率和传统技术相比也较高，比如“DNA纳米纱团”和细胞渗透性CRISPR-Cas9多肽表达系统相比基因编辑的效率也从后者的9.7%提高到前者的36%。第三，“DNA纳米纱团”理论上是一种更广泛的药物输送系统，能用于其它核酸以及DNA亲和蛋白的输送。除此之外，“DNA纳米纱团”还是一种大小均一的纳米粒，平均直径只有56纳米。尤其有意思的是装载了CRISPR-Cas9和聚乙二胺（PEI）之后“DNA纳米纱团”会变得更小。

虽然北卡州立和北卡大学的科学家已经证明“DNA纳米纱团”能有效地把CRISPR-Cas9输送到细胞核并实现基因编辑，但DNA纳米纱团”作为一种药物载体开发还需要进一步改良。比如“DNA纳米纱团”和其它传统的纳米载体不同，需要为不同的CRISPR-Cas9“量身定做”，也就是说每一个“DNA纳米纱团”都具有崭新结构，作为一种药物载体显然是不利的。另外，因为“DNA纳米纱团”的主要组成是核苷酸，理论上能被机体迅速降解，所以除了给药途径受到限制以外在循环系统的稳定性是另一个缺陷，除此之外，“DNA纳米纱团”的制备成本也远远高于其它传统纳米载体。