- Лучшие достижения CRISPR-Cas9 в трансляционной медицине
- Аннотация
- Введение
- Обзор значительных достижений системы CRISPR‐Cas9 в трансляционной медицине.
- Принцип и характеристика системы CRISPR‐Cas9
- Предклинические исследования по CRISPR‐Cas9
- Введение гена
- Выключение гена
- Резистентность к лекарствам
- Интерференция РНК (RNAi) и CRISPRi
- Активация гена
- Синергетический медиатор активации
- Липосомы/липидные наночастицы (LNPs)
- Вирус папилломы человека
- Заключение и перспективы
- Конфликт интересов
- Вклад автора
- Acknowledgements
- Biographies
- Notes
Лучшие достижения CRISPR-Cas9 в трансляционной медицине
Ruixuan Zheng, Lexiang Zhang, Rokshana Parvin, Lihuang Su, Junjie Chi, Keqing Shi, Fangfu Ye, Xiaoying Huang
Аннотация
Трансляционная медицина направлена на улучшение здоровья человека путем исследования потенциальных методов лечения, разработанных в результате базовых научных исследований, и их применения в лечении пациентов в клинических условиях. Продвинутые представления о функциях генов значительно революционизировали стратегии клинического лечения для целевых агентов. Однако прогресс в генной терапии был заторможен из-за тяжелых побочных эффектов и ограниченного количества мест редактирования. К счастью, развитие системы CRISPR-Cas9 (кластеризованные регулярно повторяющиеся интервалы с короткими палиндромными повторами, ассоциированная с белком 9) возродило надежду для области генной терапии. Система CRISPR-Cas9 способна выполнить различные простые или сложные цели, включая выключение гена, вкл/выкл, активацию, вмешательство, редактирование основ и обнаружение последовательностей. Следовательно, система CRISPR-Cas9 адаптирована к трансляционной медицине, которая требует изменения геномных последовательностей. В этом обзоре представлены последние достижения технологий CRISPR-Cas9 и перспективы применения в трансляционной медицине. Принцип и характеристика системы CRISPR-Cas9 вводятся во внимание. Авторы затем сосредотачиваются на недавних направлениях предклинических и клинических исследований, включая создание моделей болезни, скрининг и регуляцию генов, связанных с болезнью, лечение и диагностику болезней для многочисленных неотложных заболеваний. Наконец, рассматриваются клинические проблемы, включая побочные эффекты, векторы в организме и этические проблемы, и обсуждаются перспективы развития.
Ключевые слова: кластеризованные регулярно повторяющиеся интервалы с короткими палиндромными повторами – ассоциированный белок 9 (CRISPR-Cas9), регуляция генов, генная терапия, трансляционная медицина
Введение
В данном обзоре мы подводим итоги последних достижений CRISPR-Cas9 в трансляционной медицине. Первые две секции представляют механизмы и основные моменты, связанные с системой CRISPR-Cas9. Затем третья и четвертая секции анализируют потенциальные предклинические исследования и клинические испытания. Наконец, последние две секции принимают в рассмотрение перспективы и вызовы данной генной терапии и предлагают конструктивные рекомендации по развертыванию трансляционной медицины.
Обзор значительных достижений системы CRISPR‐Cas9 в трансляционной медицине.
Сравнение трех поколений инструментов для редактирования генов
Домены связывания | Пальцы цинка | Повторы TALE | crRNA (sgRNA) |
---|---|---|---|
Размер домена связывания | 30 аминокислот | 30 аминокислот | 100 bp ssRNA |
Длина распознавания | 9 или 18 bp | 18 bp | 18–24 bp |
Общий размер | 1 kb | 3 kb | 4.2 kb |
Количество векторов доставки | 1 | 1 или 2 | — |
Регуляция нескольких генов | Невозможно | Невозможно | Возможно |
Цена за каждый ген | $15 000 | $3000 | $500 |
Принцип и характеристика системы CRISPR‐Cas9
В результате этих преимуществ многие исследователи быстро переключили свое внимание на этот новый инструмент и успешно улучшили стратегии лечения в различных областях.
Предклинические исследования по CRISPR‐Cas9
Введение гена
Выключение гена
Резистентность к лекарствам
Механизмы различных инструментов регуляции транскрипции dCas9. Основные иллюстрации A) инструменты транскрипционного вмешательства dCas9‐DNTM3A и dCas9‐KRAB и B) инструменты активации транскрипции dCas9‐VP64, dCas9‐VPR и dCas9‐SAM.
Интерференция РНК (RNAi) и CRISPRi
Активация гена
Синергетический медиатор активации
Типичные предклинические применения CRISPRa и CRISPRi за последние три года
Год | Заболевание | Целевые клетки | Целевой ген | Функциональный домен | Вектор и модель | Основные результаты | Литература |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2021 | Рак мочевого пузыря | SVHUC‐1, T24, UMUC3, BIU‐87 | CacyBP | KRAB | Клетки и животные | CacyBP — онкоген, связанный с раком мочевого пузыря, и ингибирование CacyBP dCas9‐KRAB может быть терапевтическим подходом |
Липосомы/липидные наночастицы (LNPs)
Сводка недавних клинических испытаний генной терапии на основе CRISPR-Cas9
NCT-номер | Заболевание | Ген | Вмешательство | Количество участников | Фаза | Цель испытания | Статус |
---|---|---|---|---|---|---|---|
NCT04560790 | Рефрактерный вирусный кератит | VEGFA | VLP‐mRNA (BD111) | 61 | 1/2 | Подтвердить клиническую целесообразность вектора VLP‐mRNA для рефрактерного вирусного кератита | Активно, не завершено |
NCT04990557 | COVID-19 | — | PD-1 и ACE2 KO T-клетки | — | 1/2 | Подтвердить клиническую целесообразность PD-1 и ACE2 KO T-клеток для долгосрочного иммунитета от COVID-19 | Не начато |
NCT03057912 | Цервикальная внутриэпителиальная неоплазия | — | HPV E6/E7-KO | 60 | 1 | Подтвердить клиническую целесообразность терапии HPV E6/E7-KO для цервикальной внутриэпителиальной неоплазии | Неизвестно |
NCT03164135 | HIV | CCR5 | CD34+ HSCT | 5 | N/A | Подтвердить клиническую целесообразность CCR5-KO CD34+ HSCT для гематологических злокачественных опухолей у пациентов с ВИЧ | Неизвестно |
Клинические исследования по клеточной терапии при различных заболеваниях
Вирус папилломы человека
Технология редактирования генов привела к значительным достижениям в области медицины, но также вызвала этические вопросы, которые необходимо решить. Текущие этические проблемы в основном связаны с двумя точками: проблемами эмбриона и проблемами равенства. Что касается проблем с эмбрионом, существует консенсус в том, что редактирование эмбрионов в репродуктивных целях запрещено, но другие исследования, связанные с эмбрионами, должны проводиться. Эти исследования критически важны для понимания процесса развития эмбрионов и связанных с ними регуляторных факторов. Однако источники эмбрионов вызывают споры: некоторые страны разрешают использование только тех эмбрионов, которые не могут успешно выжить, в то время как другие разрешают использование здоровых эмбрионов в качестве объектов редактирования, потому что они ценны для исследований. Вопросы равенства также вызывают опасения в технологии редактирования генов. Процесс исследования и разработки генной терапии редактирования является дорогостоящим, что может привести к тому, что богатые люди будут иметь право решать направление исследования и получать приоритетный доступ к лечению. Кроме того, важно установить строгие правила для несущественных генных терапий, предназначенных для функционального усовершенствования, поскольку они имеют потенциал приносить значительные экономические выгоды. Поэтому, несмотря на отличный прогресс в подтверждении эффекта генной терапии редактирования генов, требуется решение более сложных и долгосрочных этических вопросов. Важно, чтобы исследователи и политики учитывали этические аспекты технологии редактирования генов и обеспечивали ее ответственное и справедливое использование.
Заключение и перспективы
Трансляционные исследования генной технологии редактирования CRISPR‐Cas9 стремительно развиваются, проводятся многочисленные клинические испытания. В предклинической области разработаны и продемонстрированы широкие применения и мощные лечебные эффекты CRISPR-основанных инструментов, таких как врезание, выключение, активация и вмешательство, в различных заболеваниях. Проводятся клинические испытания терапии CRISPR-Cas9, с успешным применением in vivo терапий в раках, таких как NSCLC и r/r ALL, а также наследственных заболеваниях, таких как ATTR и SCD, что показывает многообещающие результаты. Кроме того, инструменты диагностики заболеваний CRISPR‐Cas9 применяются в нескольких областях. Эти исследования дают уверенность в будущие клинические применения CRISPR-основанных терапий.
Для подведения итогов, система CRISPR‐Cas9 и ее производные сделали значительные успехи в клинической генной терапии редактирования, подчеркивая их уникальные преимущества. Тем не менее, долгосрочные последствия безопасности in vivo редактирования требуют дальнейшего изучения, и тщательное демонстрирование безопасности значительно способствовало бы продвижению системы CRISPR‐Cas9 в будущей трансляционной медицине. Развитие митохондриальных векторов направленного воздействия и базовых редакторов также обещает дальнейшие прогрессивные достижения в этой области.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад автора
R.X.Z. and L.X.Z. contributed equally to this work and should be considered as co‐first authors. R.X.Z. and L.X.Z. analyzed the literature, prepared the figures and tables, and drafted the manuscript. R.P. and L.H.S. edited the manuscript. X.Y.H., F.F.Y., and K.Q.S conceived the study, supervised the work, and revised the manuscript. All authors have read and approved the final manuscript.
Acknowledgements
This work was supported by the Medical Research Center, First Hospital of Wenzhou Medical University, and Wenzhou Institute, University of the Chinese Academy of Sciences. This work was supported by the Key Research and Development Plan of Zhejiang Province “Spearhead” (2022C03007), Wenzhou Major Science and Technology Innovation Tackling Project (2020ZY0036), Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (LGF22C100003), Wenzhou high‐level innovation team (Development and application team of functional liver cancer‐on‐a‐chip), and the program of WIUCASQD2021012 from Wenzhou Institute, University of Chinese Academy of Sciences.
Biographies
Ruixuan Zheng is a postgraduate student of Wenzhou Medical University. His current research interests lie in CRISPR‐Cas9 based rapid clinical pathogen detection and CRISPR‐Cas9 based translational medicine research.
Lexiang Zhang received his Ph.D. in Chemical Engineering in 2016 from Tianjin University, and then worked as a postdoctoral researcher in David Weitz lab at Harvard University. He joined the Wenzhou Institute, University of Chinese Academy of Sciences as associate researcher in 2020. His current research interests include droplet microfluidics and their applications in biomolecular analysis.
Keqing Shi received his Ph.D. in clinical medicine in 2017 from the Wenzhou Medical University and later he worked at the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University. His current research interests lie in interdisciplinary areas between biomechanics and health and diseases, including regeneration, wound healing, extracellular matrix–cell interaction, cell reprogramming, etc.
Fangfu Ye received his Ph.D. in physics in 2007 from the University of Pennsylvania and later he worked as a postdoctoral research associate at the Liquid Crystal Institute of Kent State University, the Department of Physics of University of Illinois at Urbana‐Champaign, and the School of Physics of Georgia Institute of Technology, successively. He joined the Institute of Physics of Chinese Academy of Sciences in 2013. His current research interests lie in interdisciplinary areas between physics and biology, including cell mechanics, cell migration, extracellular matrix–cell interaction, development of organoids, active matter, etc.
Xiaoying Huang received her Ph.D. in clinical medicine of integrated traditional Chinese and western medicine in 2011 from the Zhejiang Chinese Medical University and later she worked at the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University. Her current research interests lie in the innovative drug therapy and mechanism exploration of lung diseases, targeted drug delivery systems, rapid clinical pathogen detection, etc.
Notes
Articles from are provided here courtesy of Wiley-Blackwell