新的遗传武器挑战镰状细胞病

新研究表明，使用CRISPR-Cas9和修正短DNA模板修复患者造血干细胞(HSCs)中的镰状细胞突变可能是有效和安全的。

生物工程师莱斯大学布朗工程学院的Gang Bao与德克萨斯儿童医院，贝勒医学院和斯坦福大学合作进行了这项研究。这项启示是宝贝和Vivien Sheehan领导的一项新研究中的几项研究之一，他是贝勒的助理教授，也是德克萨斯儿童血液中心镰状细胞计划的成员。

这项开放获取研究发表在牛津学术期刊“核酸研究”上。

镰状细胞病在世界范围内影响了大约100,000名美国人和数百万人，是一种痛苦且通常致命的遗传病。血红蛋白亚基β(也称为β-珠蛋白)中的单个突变迫使正常的盘状红细胞变硬并采取特征性的“镰状”形状。这些细胞可以破坏血管壁并凝结小血管，阻止氧气输送到组织。

今天，一些患有这种疾病的人接受了来自匹配的相关供体的干细胞治疗，研究人员表示，只有不到15%的患者可以使用。更好的策略是修改患者自身的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)，这是理论上可供每位患者使用的一种选择，因为不存在排斥风险。

理想情况下，从患者骨髓中分离的干细胞将进行基因编辑和测试，化疗将用于减少患者的干细胞，为编辑的细胞腾出空间。宝说，然后将矫正的细胞植入患者体内，在那里它们可以增殖并产生健康的血细胞。

对于这项新研究，宝和他的团队首次在啮齿动物中测试了患者的HSPCs，并证明了患者基因编辑细胞的一小部分可以存活并运作约4个月。

这些干细胞来自5名患者的外周血和2名患有该疾病的患者的骨髓，均由Sheehan获得。Sheehan实验室描述了由编辑过的细胞制成的血红蛋白的类型，并表明基因编辑可以提供足够的保护性和正常的血红蛋白，以防止镰状，即使在严重缺氧促进镰状细胞。

使用野生型Cas9蛋白的早期测试 - 靶向和切割特定DNA片段的“剪刀” - 来自化脓性链球菌导致干细胞具有高水平的非预期DNA编辑。这些脱靶编辑包括大的染色体缺失和可能导致疾病的倒位。

在第二轮测试中，Rice实验室采用了由Integrated DNA Technologies开发的最近的“高保真”Cas9版本。鲍说，这导致了脱靶编辑的显着减少。

并非从镰状突变患者分离的所有干细胞都通过基因编辑来固定。充其量，根据宝实验室的实验，它确定了高达40%的实验。在另外50%的细胞中，DNA被切割而不是通过校正DNA模板修复，但这似乎可以促进干细胞胎儿血红蛋白(HbF)的表达，这是一种由不携带镰状突变的基因制成的并且通常在出生后几个月关闭。

已知胎儿血红蛋白可以抑制镰状细胞病的影响。宝怀疑，如果编辑细胞中胎儿血红蛋白的表达持续存在，患者中90%的干细胞将固定镰状突变，或者胎儿血红蛋白阻止镰状细胞。

“我们的希望是，如果我们从患者的骨髓中取出一小部分HSPC并损坏剩余的HSPC，然后编辑HSPC并将它们送回，基因校正和HbF表达细胞的组合将足以治愈疾病，“宝说。

他说，10%的干细胞继续产生镰状细胞不应该是一个大问题。“好消息是，正常的红细胞寿命大约是镰状细胞的9倍，”鲍说。“这意味着随着时间的推移，大多数红细胞将成为正常细胞。这就是我们希望看到的情景。”

研究人员还不知道切割β珠蛋白以提高胎儿血红蛋白水平是否会带来持久的益处，或者是否有引发β地中海贫血的风险，这是一种血液病，可以减少血红蛋白的产生。“存在风险，我们需要更好地理解它，”鲍说。

还不清楚必须编辑多少干细胞以为患者提供长期缓解。“我们不知道有多少百分比的基因修正HSC可以有效治疗镰状细胞病，”他说。“有些人说只有百分之几，有些人说5-10%。我的猜测大概是5%就足够了，但确切的百分比只能通过临床试验确定。”

鲍说，通往人体试验的道路可能还需要一段时间。“技术方面，我们准备进行临床试验，”他说。“但是获得批准试验将需要大量资源。我们需要编制数据并进行额外的实验以解决安全问题。”