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来自大自然的馈赠:基于外泌体的一种新的基因治疗策略

1111科学家将自然的细胞学现象转化为药物输送系统

近日,来自美国俄亥俄州立大学的科学家开发了一种新的基因疗法技术,将人类细胞成分转化为大量纳米颗粒的生产者,这些纳米颗粒装载了了遗传物质,具有逆转疾病进程的潜力。该研究发表于Nature Biomedical Engineering杂志(IF=17.135)上。

尽管这项研究还处于概念提出阶段,但这种实验性疗法减缓了神经胶质瘤小鼠的肿瘤生长并延长了其存活期。神经胶质瘤是一种恶性肿瘤,占人类恶性脑瘤的80%。

该技术利用细胞释放的外泌体——这种充满液体的囊作为与其他细胞进行通讯的方式。外泌体作为治疗材料的生物学友好载体而逐渐普及,因为它们数量庞大,不会引起免疫反应。而基于外泌体的基因治疗的诀窍是找到一种方法,将那些比较大的遗传性治疗指令装载至微小的囊泡体内使其具有一定的治疗效果。

这种新方法依赖于专利技术,该技术能够促使捐赠的人类细胞(例如成年干细胞)分泌出数百万个外泌体,这些外泌体在被收集和纯化后可用作含有药物的纳米载体。将外泌体注射到血液中后,它们能确切地知道在体内什么位置找到目标——即使目标在大脑中也是如此。

该研究的通讯作者、俄亥俄州立大学化学与生物分子工程名誉教授L. James Lee说:“这些外泌体就像是圣诞节礼物:礼物放在一个包装好的容器中,该容器已付邮资,可以随时使用。”

Lee指出,治疗性纳米粒子——外泌体是大自然赠予的礼物。

在2017年,Lee和他的同事掀起了一股有关再生医学的研究热潮,该发现被称为组织纳米转染技术(tissue nanotransfection,TNT)。该技术使用基于纳米技术的芯片将生物货物直接输送到皮肤中,将成年细胞转化为任何感兴趣的细胞类型,以便在患者自身体内进行治疗。

通过进一步研究TNT成功的机制,Lee实验室的科学家发现,外泌体是将再生物质输送到皮肤表面以下组织的秘密。

科学家在纳米工程芯片上放置了大约一百万个捐赠的细胞(例如从人脂肪中收集的间充质细胞),并利用电刺激将合成的DNA注入供体细胞中。正如Lee所描述的,这种DNA强制注入的结果是,细胞需要排出不需要的物质,这些物质中包括DNA转录而来的信使RNA,并修复已经被戳破的细胞膜上的孔。

“这种方法可以实现一石二鸟:这些细胞将转录而来的RNA固定在细胞膜上,并将它们以“垃圾”的形式倾倒出去,”Lee说,“细胞扔掉的“垃圾袋”就是外泌体,从细胞排出“垃圾”是我们的药物。”

电刺激在使细胞释放的大量外泌体中的治疗基因增加了一千倍,这表明该技术具有可扩展性,可以生产足够的纳米颗粒用于人体。

当然,对于任何基因治疗来说,必不可少的是知道需要传递哪些基因来解决医学问题。对于这项工作,研究人员选择通过传递一种称为PTEN的基因(一种抑癌基因)来测试神经胶质瘤这种脑肿瘤的结果。抑制作用丧失的PTEN突变会使癌细胞不受控制地生长。

对于俄亥俄州立大学纳米工程中心的创始人Lee来说,生产基因是很容易的事情。这些被强制转染到供体细胞的DNA,被转录成为信使RNA新分子,RNA具有产生特定蛋白质所需的翻译模板。每个包含信使RNA的囊泡都被转化为可运输的纳米颗粒,而无需担心血脑屏障的穿越。

Lee说:“这样做的好处是没有毒性,也没有激发免疫反应的能力。”外泌体几乎遍及人体的任何地方,包括通过血脑屏障,大多数药物无法进入大脑。

“我们不希望外泌体进入错误的地方。对外泌体进行重编程不仅要让它们杀死癌细胞,还需要让它们知道在哪里可以找到癌细胞,不能冤枉好人。”

在小鼠中进行的实验表明,与对照组相比,这种被标记的外泌体更可能传播到脑肿瘤并减慢其生长。Lee说,由于外泌体可以安全地进入大脑,因此这种药物输送系统有望在神经系统疾病(如阿尔茨海默氏病和帕金森氏病)中得到进一步应用。

“希望有一天可以用于医疗需求,”Lee说,“我们仅仅是提供了一种方法。如果大家知道哪种基因组合可以治愈某种疾病,那就太棒了。”

延伸阅读:Nature子刊:细胞纳米穿孔可大规模产生携带功能性mRNA的外泌体1219日的文章链接https://mp.weixin.qq.com/s/aFa6lGb2WHGr06wZmqlWyw

参考文献:

  1. https://news.osu.edu/a-new-gene-therapy-strategy-courtesy-of-mother-nature/
  2. Yang Z et al. (2019) Large-scale generation of functional mRNA-encapsulating exosomes via cellular nanoporation. Nat Biomed Eng [Epub ahead of print].

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