超声波控制的CRISPR为治疗遗传疾病提供了精确的方法

　　

多亏了CRISPR，我们的医学专家很快就能前所未有地控制如何治疗和预防一些最具挑战性的遗传疾病和疾病。CRISPR （Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是一种获得诺贝尔奖的基因编辑工具，已经被科学家广泛用于切割和修改DNA序列，以打开和关闭基因，或插入可以纠正异常的新DNA。CRISPR使用一种被称为Cas9的酶来切割和改变DNA。

南加州大学维特比工程学院阿尔弗雷德·e·曼生物医学工程系的工程师们现在已经开发出一种更新的工具，它将使CRISPR技术在聚焦超声的帮助下变得更加强大。由此产生的工具包将允许CRISPR基因编辑精确地针对需要治疗的特定区域。研究小组已经将这一发现应用于癌症免疫治疗。

这项工作由生物医学工程的Dwight C.和Hildagarde E. Baum主席Peter Yingxiao Wang以及Wang实验室的成员，包括生物医学工程助理教授Longwei Liu领导。该研究已发表在《Nature Communications》杂志上。

“CRISPR是革命性的，”Wang说，“你可以在细胞核中进行基因组或表观基因组编辑。所以基本上，你可以治疗与基因相关的疾病。但我们正在进一步推动它，使其可控。我们现在可以使用非侵入性遥控超声波来控制它在特定的位置和特定的时间被激活，而不是不断地编辑基因组。这是一个突破。”

Wang和他的实验室在聚焦超声方面有着悠久的历史，作为使用工程化嵌合抗原受体（CAR）T细胞的开创性癌症免疫治疗研究的一部分。从病人身上提取的免疫细胞，经过修饰后可以更有效地对抗癌症。Wang和他的团队利用超声波直接控制这些CAR -T细胞，在不伤害健康组织的情况下精确靶向肿瘤细胞。

最新的工作还使用癌症免疫疗法来证明聚焦超声可以添加到CRISPR工具箱中的力量，在小鼠研究中，该团队利用聚焦超声CRISPR和免疫疗法来根除癌细胞。Wang说，这是一种可以应用于广泛的遗传疾病、疾病和自身免疫性疾病的工具。生物医学工程助理教授Liu说：“这是第一个提供非常全面的、超声波可控的CRISPR工具箱来敲除、激活或沉默特定基因的研究。将其与免疫疗法相结合，我们在小鼠身上展示了增强的肿瘤治疗效果。”

将非侵入性超声波转变为精准医疗

Wang说，目前CRISPR的一个缺点是，一旦它被激活并传递到体内，它可以持续地继续其基因编辑功能。

Liu说：“通过持续表达，这将导致人类的免疫原性，因为人体会识别Cas9阳性细胞并攻击这些细胞。当然，这将触发不必要的功能。如果它一直在工作，有时你想停止它，但你不能。在我们的可控系统中，你可以随时打开和关闭它。所以这就是这个系统的美妙之处——提供了另一层可控性，从而提高了精度。”

聚焦超声通过使用超声波在研究人员希望激活CRISPR蛋白的精确位置启动温度变化来避免这些问题。例如，这个位置可能是一个肿瘤部位，需要使用CRISPR来修改癌细胞的DNA，使它们更容易受到基于CAR -T细胞的免疫疗法的攻击。

“所以本质上，你通过温度变化将超声波与CRISPR分子的产生联系起来，”Wang说。“只要你打开它，CRISPR分子就会开始在你想要它的任何地方工作。然后，过了一段时间，它会自己开始衰变，它会关闭一段时间，然后你可以随时打开它。”

在抗癌方面，研究小组使用聚焦超声激活的CRISPR靶向端粒，端粒是一种位于染色体末端的DNA-蛋白质结构，保护染色体的完整性并限制细胞分裂的次数。

“端粒有很多很多的重复，我们使用CRISPR，在超声波的引导下，切断这个端粒，这样它就会触发染色体在两端被切断，”Wang说。“因为它们有一个可重复的序列，它们都将被切割，因此，肿瘤细胞不能再自我修复。都坏了。然后细胞会发生凋亡并死亡。”

Wang说，从那里，细胞会触发细胞因子的产生。免疫细胞分泌的蛋白质，作为信使吸引其他免疫细胞到该地点攻击已经死亡的肿瘤细胞。

在此基础上，研究小组的系统通过释放SynNotch CAR -T细胞（一种只攻击表达CD19蛋白的癌细胞的工程细胞，降低了伤害健康细胞的风险），将抗癌效果降低了三倍。Wang说，肿瘤的表面就像这些CAR -T细胞的训练中心。

Wang说：“经过训练后，这些SynNotch CAR -T细胞将开始在表面产生一种CAR受体，以靶向整个肿瘤群体。有了这三个因素，我们就能达到非常高的肿瘤清理效率。”

该团队通过将聚焦超声CRISPR工具与CAR -T细胞技术相结合，展示了有希望的实验室结果。

“结果出奇的好，”Wang说。“在所有小鼠中，肿瘤不仅生长速度减慢，而且还被清除了。肿瘤基本上已经腐烂消失了。所以，这些都是非常令人鼓舞的结果。”

该研究还由Wang的前博士生，现为北京大学助理教授的Yiqian Shirley Wu，以及Wang实验室的博士生Peixiang He以及来自加州大学圣地亚哥分校、佐治亚理工学院和埃默里大学的合作者共同完成。