Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Санкт-Петербурга, Гамбурга, Лондона провели исследование, в котором впервые показали, что полимерные и гибридные микрокапсулы с покрытиями из наноразмерного слоя двуокиси кремния могут с высокой эффективностью применяться при редактировании генома с использованием технологии CRISPR-Cas9. В перспективе совместная разработка ученых ТПУ и их коллег сможет существенно упростить и повысить эффективность процедуры редактирования генома, которая в будущем поможет врачам лечить ранее неизлечимые наследственные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, гемофилия и многие другие, сообщает пресс-служба ТПУ. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine (IF 5,72; Q1).
Авторами научной статьи стали ученые лаборатории новых лекарственных форм Центра RASA на базе Томского политехнического университета (ТПУ), Первого государственного медицинского университета им. И.П. Павлова (ПСПбГМУ, Санкт-Петербург), исследовательского отдела клеточной и генной терапии и отдела трансплантации стволовых клеток Медицинского центра Университета Гамбурга (Германия), Школы инженерных наук и материаловедения Лондонского университетв королевы Марии (Великобритания). Также участие в исследовании приняли ученые НИИ детской онкологии, гематологии и трансплантологии им. Р.М. Горбачевой.
Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats / Cas9 (CRISPR-Cas9) — революционная технология редактирования генома, обладающая огромным потенциалом для исследований, а также для клинического применения.
Как объясняет один из авторов научной статьи Борис Фезе, профессор клеточной и генной терапии, руководитель научно-исследовательского отдела клеточной и генной терапии Клиники трансплантации гемопоэтических стволовых клеток Медицинского центра Университета Гамбурга, бактерии имеют адаптивную иммунную систему, которая помогает им распознавать и уничтожать вирусы (бактериофаги), если те пытаются инфицировать их во второй раз. Для этого бактерии включают короткие последовательности вирусного генома в их собственный геном (в регион CRISPR) и используют их как матрицу для синтеза коротких комплементарных РНК, которые распознают фаговый геном, используя принцип «ключ-замок» (схоже с нашими антителами, узнающими патогены, которые пытаются инфицировать человека повторно).
Открытие механизма действия CRISPR/Cas и идентификация основных компонентов учеными J. Doudna и Е. Charpentiеr пять лет назад легло в основу новой прорывной технологии по редактированию генома CRISPR-Cas9. Преимущество этой технологии в том, что она гораздо дешевле, проще и быстрее по сравнению с существовавшими до тех пор технологиями редактирования генома —TALEN и ZFN. Следовательно, в перспективе ее будет гораздо легче внедрить в клиническую практику и использовать для лечения генетических заболеваний.
Однако в этой области существуют серьезные препятствия, которые мешают технологии CRISPR-Cas9, а также TALEN и ZFN, получить широкое применение в медицине. И главная из этих проблем — безопасная и эффективная доставка генетического материала в редактируемую клетку.
«Существующие методы доставки отличаются высокой степенью токсичности. При их использовани какая-то часть редактируемых клеток погибает. К примеру, при доставке биоматериала методом электропорации выживают только 40-50% клеток», — рассказывает один из главных авторов научной статьи, младший научный сотрудник лаборатории новых лекарственных форм Центра RASA при ТПУ Александр Тимин.
Для решения этой проблемы ученые впервые решили использовать для доставки генетического материала внутрь клеток полимерные и гибридные микрокапсулы с покрытиями из наноразмерного слоя кремния (SiO2), которые разрабатывает научный коллектив ТПУ совместно с коллегами из ПСПбГМУ им. академика Павлова.
Размер таких капсул составляет 2-2,5 микрометра (мкм). В них загружается генетический материал (биологически активные вещества) — миРНК, мРНК и плазмиды ДНК. Далее эти капсулы доставляются к редактируемой клетке. Она поглощает их путем макропиноцитоза — процесса, при котором клетки захватывают относительно крупные частицы. Таким образом, микрокапсула оказывается в цитоплазме клетки и там высвобождает свое содержимое. Сама оболочка при этом постепенно растворяется.
«Эффективность доставки с помощью наших микрокапсул достигается за счет низкой токсичности. Проведенное нами исследование показало, что более 90% клеток выживают после трансфекции. Таким образом, процент отредактированных клеток стал значительно выше в сравнении, когда для трансфекции применялись липосомы», — резюмирует Александр Тимин.
В научной статье отмечается, что полученные результаты позволяют сделать вывод, что данные микрокапсулы представляют собой перспективные векторы для доставки инструментов редактирования генома.
«В дальнейшем мы надеемся продолжить сотрудничество с российскими коллегами в этом направлении. Уже подана заявка на совместный исследовательский грант Российского научного фонда и Немецкого научно-исследовательского сообщества (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)», — делится планами Борис Фезе.
Следующим этапом, по словам ученых, станет применение технологии CRISPR-Cas9 с использованием микрокапсул для доставки генетического материала уже в исследованиях in vivo, то есть на живом материале.
Справка:
Лабораторию новых лекарственных форм на базе Центра RASA в Томске возглавляет Глеб Сухоруков, глава отделения биополимерных и биоорганических поверхностей Школы инженерных наук и материаловедения Лондонского университета королевы Марии (Великобритания). Научный коллектив лаборатории занимается разработкой новых способов доставки лекарственных средств в организм. Исследования лаборатории направлены на разработку технологий по созданию эффективных способов доставки различных лекарственных соединений с использованием метода инкапсулирования.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение