不靠病毒潜入体内 “上帝的手术刀”更安全

解码基因编辑

当CRISPR-Cas9被输送到细胞中时，需要载体的帮助。病毒载体是目前最流行的给药方式，但其成本高、达不到预期效果且对人体有致癌风险。然而，浙江大学研究团队的最新成果为非病毒载体在基因编辑中的应用打开了另一扇窗。

准确定位并切断基因位点，关闭基因或引入新的基因片段，让失去希望的患者重新获得治愈的可能...……CRISPR基因编辑技术从一开始就被称为“上帝的手术刀”。

然而，这种神奇的“手术刀”甚至失败了，它的脱靶效应一直是阻碍其应用的主要障碍之一。

最近，南京大学、厦门大学和南京工业大学的研究人员开发了一种新的“基因剪刀”工具载体，可以实现可控的基因编辑，在癌症等重大疾病的治疗中具有广阔的应用前景。目前，这一成果已发表在美国科学进步杂志的新一期上。

病毒携带者的担忧

转基因大豆油、抗虫棉，甚至转基因婴儿都接种了艾滋病疫苗...尽管有无休止的争论，基因编辑技术，作为一个新时代的产物，在短短的几十年间迅速与大多数普通人建立了联系。然而，当谈到所使用的工具和原则时，许多人并不十分熟悉。

自从20世纪60年代揭示了遗传密码的秘密以来，人类从未停止过对基因改造的尝试。更生动的说法是，基因编辑可以被理解为使用“基因剪刀”来切断DNA链并转化目标DNA片段的过程，无论是添加还是剔除基因，从分子水平上本质上改变生物特征。

目前，科学家们最常用的“基因剪刀”是一种叫做CRISPR-Cas9的外源DNA，它的诞生不能与细菌分开。病毒利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，以实现自身繁殖。在对抗病毒的过程中，细菌在体内进化出CRISPR系统，该系统可以悄悄地将病毒基因从它们的染色体上移除。科学家利用这一特性开发了这种尖端的“基因剪刀”。

如何将CRISPR-Cas9送入细胞？这需要运营商的帮助。

根据基因载体的来源，我们可以将基因载体分为五类，即质粒载体、噬菌体载体、病毒载体、非病毒载体和微环DNA。病毒载体是目前最流行的传递方式。截至2018年6月，临床试验中超过70%的基因药物载体是病毒。复合物与病毒连接后，病毒侵入靶细胞的细胞核，而“基因剪刀”CRISPR-Cas9可以发挥其真正的功能。

逆转录病毒、腺病毒和腺相关病毒(AAV)，这三种主要类型的病毒，已经广泛用于治疗遗传物质。然而，病毒载体的构建是一个困难且昂贵的过程，并且使用这些病毒载体进行递送不是万无一失的。“CRISPR-Cas9有明显的优点和缺点。它有一个脱靶效应，也可能切断目标以外的其他区域，在切断正常区域时会造成很大的伤害。”南京大学现代工程与应用科学学院教授宋玉军说。

研究表明，病毒载体在CRISPR-Cas9系统中具有固有的缺点，包括致癌风险、插入大小限制和人体免疫反应。例如，逆转录病毒可能导致插入突变，导致癌症。静脉注射大剂量AAV用于基因治疗也会产生严重的毒性。

这里有一个更安全的基因编辑载体。

病毒作为基因工程载体的安全性无法完全控制，因此科学家提出了几种替代的非病毒传递材料，包括金纳米粒子、黑磷、金属有机框架、氧化石墨烯和各种纳米材料。

与病毒相比，这些材料大大提高了它们的安全性。然而，基因编辑和基因编辑的时代

这个过程仍然不受科学家的控制。

在《科学进展》杂志发表的最新科研成果中，南京大学、厦门大学和南京工业大学的研究人员开发了一种新型的非病毒载体“基因剪刀差”工具，该工具可以通过近红外光控制基因的“修剪”，实现体内时间和空间的可控基因编辑，在癌症等重大疾病的治疗中具有广阔的应用前景。

为了回应CRISPR-Cas9的遗漏效应，研究小组在一年半的实验后开发了一种称为“上转换纳米粒子”的非病毒载体。纳米粒子可以被细胞大量内化，CRISPR-Cas9通过光敏化合物被锁定到上转换纳米粒子上。

宋玉军说:“红外光具有很强的组织穿透力，这使得在人体深层组织中安全、准确地应用基因编辑技术成为可能。”

实验的触发装置在于两种光——近红外光和紫外光。近红外光和紫外光有特殊的性质。前者可以穿透人体组织到达目标位置，而后者可以切断光敏分子。当暴露在近红外光下时，这些纳米粒子吸收低能量的近红外辐射，并将其转化为可见的紫外光，这可以自动打开纳米粒子与Cas9蛋白之间的“锁”，使Cas9蛋白进入细胞核，从而实现靶基因的精确敲除，诱导肿瘤细胞凋亡。

该团队从基因、蛋白质和细胞的角度验证了该系统的有效性。在对荷瘤小鼠进行治疗的过程中，该小组发现只有实验组中受近红外光照射的肿瘤被有效抑制，并且从20天后取的肿瘤大小来看，实验组中的肿瘤远小于对照组。

这项技术为非病毒载体在基因工程中的应用打开了另一扇门。一旦这种技术在将来可以临床应用，肿瘤，特别是实体肿瘤，可以非侵入性地治疗，以及帕金森病、糖尿病等患者。也可以从这项技术中受益。

非病毒载体的未来没有限制。

尽管病毒载体在临床上得到广泛应用，但其安全性不确定性、高制备和运输成本限制了其在基因工程中的推广。因此，非病毒载体越来越受到研究者的关注。

“目前，研究人员正在研究各种纳米材料的非病毒载体，如具有巨大前景的生物可降解聚合物。”宋玉军告诉记者。

非病毒载体的研究有两个方向，一个是有机物质基因传递系统，另一个是非极性物质基因传递系统。在有机材料的研究领域，脂质体、聚乙烯亚胺及其衍生物、阳离子多肽、树状大分子及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、聚氨基酯、环糊精及其衍生物是科学家的主要研究方向。

由各种脂质体设计的非病毒性脂质纳米粒易于制备，免疫反应不剧烈，具有较大的有效负载量。因此，它们已被广泛应用于临床，如疫苗和基因药物传递、癌症治疗、肿瘤成像等。基于聚乙烯亚胺及其衍生物的递送系统也被用于多种疾病的临床试验，包括卵巢癌、胰腺癌、原发性腹膜恶性肿瘤、多发性骨髓瘤等。然而，对其他发射材料的研究还没有基本进入临床阶段。

与有机材料相比，无机材料更易于手动控制，尺寸可调，易于表面改性。金纳米粒子、碳纳米管、石墨烯、上转换纳米粒子等材料得到了广泛的研究。主流的递送方法包括形成带负电荷的基因和带正电荷的无机纳米粒子的复合物，以响应性共价键的形式将基因连接到纳米粒子，或者在无机纳米粒子表面修饰两亲性聚合物，并且带负电荷的基因通过静电作用被吸附在聚合物层中。这是宋玉军的团队第一次开发出编辑光操纵基因的新技术。

目前，无机缓释材料的研究仍处于实验室阶段，临床阶段试验尚未获得批准，对其对人体的影响也没有明确的结论。

“无机纳米粒子含有人体不必要的元素，所以它们可能会产生一些副作用。在实验期间，在小鼠水平上的观察时间相对较短，从几周到几个月不等，并且在细胞水平和动物水平上没有发现显著的影响。如果能找到合适的、安全的和功能性的无机材料，它的前景将是无限的。”宋玉军对非病毒载体的未来充满信心。