沈阳药科大学孙进/孙孟驰团队ACS Nano：CRISPR-Cas9口服系统精准治疗炎性肠病

【引言】

在炎性肠病（IBD）的治疗领域，科学家们一直在寻找一种能够精确打击病变细胞、同时又不伤害健康细胞的“魔法子弹”。沈阳药科大学孙进/孙孟驰团队在《ACS Nano》上发表的这项研究，就像找到了一把能够精准定位并修复基因的“微型手术刀”。通过巧妙的纳米封装技术，他们将CRISPR-Cas9技术转化为一种口服系统，实现了精准的基因“修复”。

【文章内容】

炎性肠病，包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），是一种慢性非特异性炎症性肠病。虽然IBD的确切病因尚未完全明了，但已知与氧化应激、肠道菌群失调和促炎细胞因子的过度表达有关。在IBD患者体内，活性氧（ROS）的水平显著升高，超出了身体的清除能力，从而引发了严重的炎症反应。传统的治疗方法包括氨基水杨酸盐、皮质类固醇和免疫抑制剂，但这些药物往往无法长期解决粘膜炎症，并且可能带来各种不良反应。

孙进/孙孟驰团队提出的口服微纳基因编辑系统，旨在通过靶向肠道中过量的TNF-α，实现对IBD的特异性基因治疗。该系统通过二硫键桥接Cas9/sgRNA核糖核蛋白（RNP），将其组装成纳米簇（NCs）。这些RNP-NCs随后被封装在源自大肠杆菌Nissle 1917的可靶向炎症细胞的去脂多糖外膜囊泡（dOMVs）中，进一步被一层钙藻酸盐微球（CAMs）所包裹。借助CAMs的保护作用，口服给药系统能够在进入胃部时抵抗胃酸降解，实现对肠道的高效靶向输送。随着pH值逐渐升高，微米级的CAMs溶胀破裂，释放出封装在dOMVs中的纳米级RNP-NCs到肠道中。这些RNP-NCs@dOMVs能够穿越粘膜屏障，靶向炎症性巨噬细胞，在其中条件性激活Cas9/sgRNA RNPs，有效地在细胞核内进行TNF-α基因的基因组编辑（图1）。这样的口服微纳基因编辑系统为IBD的治疗提供了一个充满希望的转化平台。

图1 RNP-NCs@dOMV@CAM的构建示意图及其体内应用，包括结肠靶向递送和炎症特异性基因组编辑

纳米级“手术刀”的制作：在这项研究中，孙进/孙孟驰团队采用了一种创新的方法来构建纳米级的基因编辑工具。他们利用了Cas9蛋白和sgRNA的复合体，通过二硫键的桥接作用，将这些复合体组装成纳米簇（RNP-NCs）。这种纳米簇的设计不仅提高了基因编辑复合体的稳定性，还增加了其在细胞内的传递效率。通过精细的纳米工程，这些“微型手术刀”被赋予了前所未有的精确度和效率。

肠道靶向的创新：研究中使用的dOMVs，即去除脂多糖的外膜囊泡，是从大肠杆菌Nissle 1917中提取的。这种特殊的囊泡具有靶向炎症细胞的能力，使得封装在内的RNP-NCs能够精确地被输送到肠道炎症区域。

智能释放机制：该系统中的钙藻酸盐微球（CAMs）起到了保护和控制释放的双重作用。在口服进入胃部时，由于胃酸的酸性环境，CAMs能够保护内部的纳米簇不受破坏。当系统进入肠道，由于pH值的升高，CAMs开始溶胀并破裂，从而释放出封装在内的RNP-NCs。这种pH敏感的释放机制确保了基因编辑工具只在炎症环境中被激活，减少了对正常细胞的潜在危害（图2）。

图2 RNP-NCs@dOMV@CAM的表征

基因编辑效果的评估：对DSS诱导的IBD小鼠各方面指征分析，研究团队评估了RNP-NCs@dOMV@CAM在模型小鼠体内的编辑效果。结果显示，RNP-NCs@dOMV@CAM能有效保护小鼠免受结肠缩短，提高生存率和体重恢复，减轻结肠组织的炎症损伤，且无明显的肝肾毒性（图3）。

图3 RNP-NCs@dOMV@CAM的结肠靶向性及药效评估

肠道菌群的调节：这项研究还探讨了RNP-NCs@dOMV@CAM对肠道菌群的影响。通过16S rRNA基因测序，研究者们分析了治疗后小鼠肠道菌群的变化。结果显示，RNP-NCs@dOMV@CAM能够调节肠道菌群的组成，增加有益菌的丰度，减少有害菌的数量，从而有助于恢复肠道微生态的平衡（图4）。

图4 RNP-NCs@dOMV@CAM在DSS诱导的IBD小鼠中调节肠道微生物组

【结论与展望】

综上，这项研究不仅为IBD患者带来了治疗的新策略，也为基因编辑技术在临床上的应用开辟了新的道路。这种口服微纳基因编辑系统，以其精准的靶向能力和条件性激活的特点，提高了药物靶向效率和生物利用度，展示了在治疗IBD方面的潜力。该系统可以利用各种响应材料来改善体内靶向性，同时为特定基因靶点设计药物，为多种疾病的个性化治疗提供了潜力，并最大限度地减少了副作用。这种方法为CRISPR/Cas9技术提供了一种更安全、更有效的递送方法，有可能改变多种疾病的治疗前景。

沈阳药科大学孙进教授和孙孟驰副教授为该论文的共同通讯作者，沈阳药科大学硕士林思岑和湖州中心医院主治医师韩书文为本论文的共同第一作者。本研究也得到了何仲贵教授的指导。同时受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金等项目资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07750