01
背景
随着人口老龄化,湿性年龄相关性黄斑变性(wAMD)等脉络膜新生血管(CNV)相关眼底疾病发病率逐年攀升,已成为全球致盲的主要原因之一。CNV的发生机制复杂,但血管内皮生长因子A(VEGFA)的过度表达被认为是新生血管异常增生的核心驱动力。当前临床主流治疗手段是玻璃体腔注射抗VEGF药物(如阿柏西普、雷珠单抗等),虽然能有效抑制新生血管,但存在疗效不持久、需反复注射、部分患者无效、眼部并发症等诸多问题,严重影响患者生活质量和依从性。
基因编辑技术,尤其是CRISPR-Cas9系统,为根治CNV提供了新思路。通过敲除RPE细胞中的VEGFA基因,有望实现一次治疗、长期获益。然而,如何将CRISPR系统高效、安全、精准地递送到眼底RPE细胞,成为制约其临床转化的最大瓶颈。传统的腺相关病毒(AAV)载体虽有一定效果,但存在免疫原性高、长期表达导致脱靶风险等安全隐患。非病毒递送系统如脂质体、LNP等虽生物相容性好,但递送效率和细胞内释放能力有限,且合成复杂、工艺难以规模化。
为此,Cao等人团队针对上述难题,提出了一种全新的递送平台——动态共价脂质纳米颗粒(LNPs),并以此为载体,协同递送Cas9 mRNA和靶向VEGFA的sgRNA,实现了对CNV小鼠模型的高效基因编辑和显著治疗效果。该平台有望应用于wAMD等多种眼底新生血管性疾病,甚至拓展至其他需要mRNA/基因编辑治疗的眼科和全身疾病。

【期刊】Science Advances
【IF值】12.5
【DOI】10.1126/sciadv.adj0006
本文用于验证动态共价脂质纳米颗粒递送效率的Luc mRNA (R1013) 及EGFP (R1016) 等报告mRNA由APExBIO提供。
02
创新点:动态共价脂质纳米颗粒(LNPs)
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一锅法合成:通过胺、甲酰基苯硼酸和二醇基脂肪链的三组分反应,快速高效地构建出含有亚胺硼酸酯动态共价键的脂质体库,反应温和、无副产物,便于规模化生产和高通量筛选。
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H2O2响应性:亚胺硼酸酯结构可被高浓度H2O2(如病变RPE细胞内)特异性降解,促使LNPs解体、mRNA/sgRNA高效释放,极大提升基因编辑效率。
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穿越视网膜屏障:LNPs可通过Müller细胞介导的跨细胞转运,主动穿越内界膜(ILM)和整个视网膜,精准递送至RPE层,避免了创伤性更大的视网膜下注射。
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低毒性高生物相容性:与商用Lpf2k和FDA批准的LNP-ALC-0315相比,LNP-A4B3C7不仅递送效率更高,且细胞毒性显著降低,安全性优异。
03
实验设计与主要结果
脂质体库的构建与筛选
研究团队合成了多种不同氨基(A)、甲酰基苯硼酸(B)和脂肪链(C)组合的脂质材料(称为AxByCz),之后以包被萤火虫荧光素酶mRNA(Luc mRNA)表达的发光强度为模型,系统筛选后发现以A4B3C7合成的LNP在多种细胞系(HeLa、ARPE-19等)中均表现出最高的mRNA递送效率和最低的毒性(图1D)。其粒径约120-210 nm,表面电荷近中性,mRNA包封率高达80%以上。

图1 基于动态共价键的脂质体库的合成和筛选
H2O2响应性机制验证
团队通过NMR和FRET实验证实,LNP-A4B3C7在酸性或H2O2环境下结构能迅速解体,mRNA释放量在H2O2存在时8小时内可达80%,远高于酸性条件下的30%。另外细胞实验显示,H2O2预处理的ARPE-19细胞对LNP-A4B3C7的摄取和胞质释放显著增强,FRET信号消失和共定位分析均支持H2O2触发的高效mRNA释放。

图2 酸和H2O2触发的脂质体降解、LNP解离和mRNA释放
细胞内递送与基因编辑
接下来团队首先在体外ARPE-19细胞中验证LNP-A4B3C7的转染效率,分别使用Luc或EGFP mRNA等报告基因检测表达情况,荧光结果显示与未受刺激的细胞相比,Luc或EGFP在H2O2刺激的ARPE-19细胞中,LNP-A4B3C7展示出显著更高的转染效率(图3A-D)。

另外,在H2O2刺激下,Cas9 mRNA/sgVEGFA@LNP-A4B3C7诱导的VEGFA基因敲除效率高达70.4%,VEGFA表达和分泌分别下降71.4%和73.4%,显著优于对照组(图3F)。这些结果共同证实,LNP-A4B3C7能够介导H2O2富集细胞(如CNV条件下病变的RPE细胞)中mRNA转染的增强,并适用于基因编辑。

图3 H2O2增强mRNA转染以及VEGFA基因组编辑在ARPE-19细胞中的应用
体内递送与治疗效果
进一步的体内小鼠玻璃体腔注射实验中,LNP-A4B3C7可在12小时内穿越视网膜,精准到达RPE层,且信号持续48小时以上。在激光诱导的CNV小鼠模型中,单次注射mCas9/sgVEGFA@LNP-A4B3C7,RPE细胞VEGFA基因敲除率达57%,mRNA和蛋白水平分别下降65.2%和50.3%(图4D-E),并且在四个主要脱靶位点仅出现轻微切割,表明脱靶效应极低(图4C)。

图4 激光诱导CNV小鼠玻璃体内注射mCas9/sg
VEGFA@LNP-A4B3C7的体内VEGFA基因编辑效率
对于mCas9/sg VEGFA@LNP-A4B3C7的治疗效果,通过FFA、ICGA、OCT等多模态影像学和免疫荧光定量显示LNP-A4B3C7治疗组的CNV面积减少76.4%,与阿柏西普(Aflibercept)相当;

图5 玻璃体内注射mCas9/sg VEGFA@LNP-A4B3C7对激光诱导CNV小鼠的治疗效果
令人振奋的是,在35天后再次激光诱导CNV的“复发模型”中,LNP-A4B3C7组依然能显著抑制新生血管,而Aflibercept则因代谢快失效,显示出LNP-A4B3C7持久的基因治疗优势。最后,团队还检测了LNP-A4B3C7组炎症因子水平、视网膜组织和全身主要脏器均未见明显毒性或炎症反应,显示出良好的生物相容性和安全性。

图6 玻璃体内注射mCas9/sg VEGFA@LNP-A4B3C7的长期治疗效果。
04
小结
本研究首次将动态共价化学与LNP递送平台深度融合,实现了“环境响应-精准释放-高效递送-低毒性”的理想递送体系。其一锅法合成策略为LNP材料的规模化、个性化开发提供了新范式。另外,使用非病毒递送+玻璃体腔注射规避了AAV等病毒载体的免疫风险和长期表达脱靶隐患,且操作简便、患者依从性高。而基因编辑带来的持久疗效,尤其在CNV再发模型中远超抗体药物,预示着未来有望实现“治愈型”眼底病治疗,极大减轻患者负担。



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