镰状细胞贫血症（镰状细胞病）是一种遗传性血红蛋白病，主要特征表现为慢性贫血，周期性发作疼痛和其他并发症。当前的主要治疗手段包括服用抗生素、输血或骨髓移植（造血干细胞移植）、基因治疗等。
【资料图】
其中，基因治疗被视为治愈镰状细胞贫血症最有希望的治愈方法。目前的基因替代治疗和基因编辑治疗都需要进行骨髓移植，且两种方案的治疗过程中也都会涉及到化疗或放疗，存在显著的毒副作用。同时，这两种方式成本高，治疗价格昂贵，一定程度上也限制了可及性。
近日，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院和费城儿童医院（CHOP）提出了一种直接在体内重新编程骨髓干细胞（bone marrow stem cells）的策略，通过静脉注射 LNP（脂质纳米颗粒）将 mRNA 递送到骨髓干细胞，可以在无需移植骨髓的情况下直接在患者体内编辑和纠正骨髓细胞中的突变基因。
具体来说，研究团队开发了一种基于 mRNA 的体内基因编辑疗法，即 CD117/LNP-mRNA，CD117 是一种造血干细胞表面的干细胞因子受体。这种新疗法由 LNP 和基因编辑工具 mRNA 组成，LNP 上添加了 CD117 受体的抗体，这样经过修饰的 LNP 可精确靶向造血干细胞（HSC），从而将 mRNA 递送到靶细胞中。
（来源：Science）
在体外试验中，CD117/LNP-mRNA 对镰状细胞贫血症患者 HSC 的纠正率达到了约 90%；在小鼠体内，该疗法成功靶向并调节了 HSC 功能，并对造血干细胞移植（HSCT）实现了无基因毒性调节。这为造血干细胞移植提供了一种非基因毒性调节方案。
论文中提到，理论上，这种体内基因编辑治疗的方法可以降低成本，减少了体外修饰 HSC 的流程，有潜力为多种遗传性疾病带来更多治愈希望。
哈佛医学院儿科教授兼霍华德休斯医学研究所研究员 Stuart Orkin 博士表示，“现有的基因替代/编辑方法难以减轻镰状细胞贫血症或地中海贫血的负担，如果这种体内基因编辑治疗方法能在临床中表现出治疗效果，在安全有效的前提下减轻患者负担，那么这会是一个非常好的起点。
“mRNA-LNP 是一个高度模块化的平台”
本次的研究建立在研究团队 2022 年 1 月发表的研究基础之上。此前，该研究团队中的 Tyler E. Papp 、Drew Weissman和 Hamideh Parhiz 参与了基于 mRNA 在体内编辑 T 细胞生成 CAR- T 细胞的研究。这几位研究员也是同一个研究小组的成员，这一研究小组还包括 Jonathan Weissman 博士和 Carl June 博士。
2022 年 1 月，这篇研究发表在了Science的杂志封面文章中。研究团队在论文中介绍了一种可在体内瞬时生成的 CAR-T 细胞疗法，这种方式将身体本身变成了一个可以选择性重编程 T 细胞的工厂。即无需将 T 细胞取出体外，通过 LNP 递送到体内的 mRNA 重编程 T 细胞，将其转化为可以攻击心脏成纤维细胞的 CAR-T 细胞（FAP-CAR-T 细胞）。
在研究中，瞬时产生的 CAR-T 细胞明显减少小鼠心脏的纤维化，并恢复了心脏的大小和功能。
（来源：Science）
Tyler E. Papp 指出，“这种 mRNA-LNP 方法的优点在于，这是一个高度模块化的平台，我们能够通过修饰 LNP 的表面特异性靶向某些细胞类型，也可以修改 mRNA 有效载荷在体内表达不同的治疗效果。我们认为利用这种方式可以设计个性化治疗，并对副作用进行更可控的调控。”
论文中还提到，细胞特异性靶向的 LNP 封装 mRNA 治疗/编辑工具作为一种平台技术，可用于许多需要精确靶向促进体内重编程细胞的疾病。
当时的研究中，研究团队利用 LNP 将 mRNA 靶向递送到 T 细胞并在体内生成了 CAR-T，用于治疗心脏损伤。值得一提的是，Carl June 和Drew Weissman等人已经推进了转化工作，他们作为科学创始人联合创办了细胞疗法初创公司 Capstan Therapeutics，该公司正在基于 mRNA 在体内诱导 T 淋巴细胞转化为瞬时存在的治疗性 CAR - T 细胞。公开资料显示，这家成立两家的公司已经筹集了 1.65 亿美元融资。
在最新的研究中，研究团队持续优化了 mRNA-LNP 模块化平台并瞄准了血液系统疾病，包括镰状细胞贫血症。
流程更简化，成本更低
造血干细胞存在于成年人的骨髓中，特别是在骨盆、股骨和胸骨中，其是血液系统中的“种子”细胞。这些细胞在人的一生中不断分裂，产生血液和免疫系统中的所有细胞。在患有镰状细胞贫血症和免疫缺陷病等非恶性造血疾病的患者中，这些血细胞由于携带基因突变而无法正常发挥作用。
对于这些患者，两种潜在的治愈方法包括造血干细胞移植和基因编辑治疗。这两种方法都需要骨髓移植，一种使用来自健康捐献者的造血干细胞进行干细胞移植，另一种在体外对患者自身的造血干细胞进行基因改造然后回输进行治疗。这些治疗过程中通常会出现毒副作用，因此需要研究毒性较小的方法。
体内基因编辑是减轻毒副作用的一种方式，造血干细胞的体内基因编辑更被认为是 HSC 基因治疗的“圣杯”。这种方法通过将基因编辑工具直接注入患者体内，无需预处理方案，即可编辑和纠正 HSC。
在最新的研究中，研究团队将靶向递送平台技术、mRNA 治疗和基于 RNA 的基因编辑工具相结合，设计出了一种体内基因编辑疗法 CD117/LNP–mRNA。论文中提到，与目前可用的技术相比，靶向 mRNA 编码的基因组编辑方法可以控制表达，提高编辑效率，并且可能更安全地修饰体内基因组。
具体来说，为了增加靶向效率以及特异性靶向细胞类型，研究人员在 LNP 上通过修饰添加了 HSC 表面 CD117 受体的抗体，提高了靶向 HSC 的效率，能够精准靶向 HSC，有点像“升级版”的 LNP。经过修饰的 LNP 也意味着这种治疗方法主要针对骨髓中的细胞，而非靶向全身分布的其他细胞；mRNA 是编码包含基因编辑核酸酶 Cas9 蛋白在内的基因编辑工具的一段序列，mRNA 进入体内会翻译成基因编辑工具，编辑工具会将镰状细胞贫血症患者体内造血干细胞中的突变致病基因纠正为正常基因。
“理论上，我们设计的体内基因编辑方法可以替换突变基因或纠正这种突变基因，并为镰状细胞贫血症患者提供一种更安全高效的治疗方法，且不会出现造血干细胞移植（HSCT）带来的一系列问题，比如移植物抗宿主病（GVHD）。”论文作者之一Michael P. Triebwasser说，他的重点关注方向是基于血红蛋白病、骨髓衰竭综合征和免疫缺陷等非恶性造血疾病的治疗，并专注于开发基因药物以及非病毒递送系统。
费城儿童医院 (CHOP) 的资深作者Stefano Rivella博士在接受外媒采访时指出，“最重要的是，现在如果做基因治疗，尤其是对于骨髓中的干细胞，通常基本需要执行三个步骤：取出细胞、修饰细胞，然后扩增回输进体内。我们这种方法的优点就在于可以实现通过一次性注射对细胞直接完成基因修饰和改造，可以减少流程，直接将基因编辑工具递送给骨髓细胞。患者甚至无需在医院待一天，只需去诊断打针然后回家，成本会更低，对接受治疗的患者也更友好。”
接下来，研究人员采用多种方式验证 CD117/LNP–mRNA 疗法的功效。他们测试了 CD117/LNP 封装的 mRNA，研究显示 mRNA 可以正常表达并实现基因编辑效果；紧接着，研究人员探索了这种方法是否可以应用于血液疾病治疗，他们在镰状细胞贫血症患者提供的造血干细胞中测试了效果，结果表明，在体外试验中，CD117/LNP-mRNA 促进了有效的基因编辑，且经过编辑之后，功能性血红蛋白相应增加了 91.7%。后续，研究团队还证明经过编辑后几乎完全纠正了镰状细胞。
然后，研究团队探索了 LNP 是否可以用于体内调节，利用 CD117/LNP 封装 PUMA 的 mRNA，PUMA 是 p53 上调凋亡调节剂。在一系列的体外、离体和体内实验中，体内靶向 CD117/LNP-PUMA mRNA 有效地耗尽了 HSC，允许输注和吸收新的骨髓细胞。在动物模型中观察到的移植率与报道中使用健康供体骨髓细胞足以治愈严重联合免疫缺陷（SCID）的移植率一致，表明该技术也可用于严重免疫缺陷。
（来源：Science）
“通过初步的概念验证，我们认为这项研究可能会潜在改变基因治疗，这使得我们可以最低的风险在体内进行细胞类型特异性的基因修饰，也让血液干细胞操作成为可能，还为纠正不同单基因疾病提供了一个模块化的平台。未来，这种新型的递送系统可能会帮助更多基因和生物医学的研究转化为治疗方法，治疗更多疾病。
