通过优化的脂质纳米颗粒制剂递送核糖核蛋白,实现更安全高效的碱基编辑和引导编辑

Safer and efficient base editing and prime editing via ribonucleoproteins delivered through optimized lipid-nanoparticle formulations

作者信息Rafał Hołubowicz, Samuel W Du, Jiin Felgner, Roman Smidak, Elliot H Choi, Grazyna Palczewska, Carolline Rodrigues Menezes, Zhiqian Dong, Fangyuan Gao, Omar Medani, Alexander L Yan, Maria W Hołubowicz, Paul Z Chen, Marco Bassetto, Eleonora Risaliti, David Salom, J Noah Workman, Philip D Kiser, Andrzej T Foik, David C Lyon, Gregory A Newby, David R Liu, Philip L Felgner, Krzysztof Palczewski
PMID39609561
发布时间2025-01
DOI10.1038/s41551-024-01296-2

实验完整度

包含体外细胞系(rd12报告细胞)、体内小鼠模型(rd12)、功能验证(ERG、PLR、视觉诱发电位)以及机制验证(编辑效率、脱靶分析、蛋白质降解动力学)。

主要模型

rd12小鼠模型 rd12报告细胞系(NIH/3T3) RPE65 rd12 cDNA细胞系

重点核对

离子化脂质类型(SM102、CL4H6、DODMA) DMG-PEG 2000浓度(1.5% vs 2.5%) 脂质与RNA重量比(40:1) RNP剂量(ABE:2.3-2.5 µM;PE:1.6-2.2 µM) 亚视网膜注射体积(1 µL/眼)

摘要

Delivering ribonucleoproteins (RNPs) for in vivo genome editing is safer than using viruses encoding for Cas9 and its respective guide RNA. However, transient RNP activity does not typically lead to optimal editing outcomes. Here we show that the efficiency of delivering RNPs can be enhanced by cell-penetrating peptides (covalently fused to the protein or as excipients) and that lipid nanoparticles (LNPs) encapsulating RNPs can be optimized for enhanced RNP stability, delivery efficiency and editing potency. Specifically, after screening for suitable ionizable cationic lipids and by optimizing the concentration of the synthetic lipid DMG-PEG 2000, we show that the encapsulation, via microfluidic mixing, of adenine base editor and prime editor RNPs within LNPs using the ionizable lipid SM102 can result in in vivo editing-efficiency enhancements larger than 300-fold (with respect to the delivery of the naked RNP) without detectable off-target edits. We believe that chemically defined LNP formulations optimized for RNP-encapsulation stability and delivery efficiency will lead to safer genome editing.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何通过化学定义的脂质纳米颗粒实现安全高效的核糖核蛋白(RNP)体内递送,以克服病毒载体和裸RNP的局限性?
核心机制
通过优化离子化脂质和DMG-PEG 2000浓度,增强RNP的封装稳定性和递送效率,从而在体内实现高效编辑并减少脱靶效应。
主要证据
在rd12小鼠模型中,使用ABE8e RNP LNP(SM102,2.5% DMG-PEG 2000)和PE2 RNP LNP实现了视觉功能的恢复,包括ERG b-wave振幅达到368 µV(ABE)和超过300 µV(PE),并检测到11-cis-retinal的生成。
研究意义
该研究提供了一种化学定义、可重复的RNP递送平台,有望替代病毒载体,为遗传性视网膜疾病等提供更安全的基因治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

蛋白纯化与RNP组装

获得高纯度、稳定的ABE8e和PE2蛋白并形成RNP复合物

通过Ni-NTA、TALON、1D4亲和层析和SEC纯化Cre、ABE8e和PE2;通过DSF分析RNP稳定性;通过体外活性实验验证ABE和PE的酶活性。

2

体外递送效率筛选

评估CPP和LNP在细胞水平上的递送效率

在rd12报告细胞和HEK293-loxP-GFP-RFP细胞中测试CPP融合蛋白和LNP封装RNP的递送效果,通过流式细胞术和荧光显微镜定量。

3

LNP封装与优化

优化LNP配方以提高RNP封装效率和递送活性

通过微流控混合将RNP封装入LNP,改变离子化脂质类型和DMG-PEG 2000浓度,评估粒径、封装效率、细胞毒性和递送效率。

4

体内药效验证

验证优化后LNP-RNP在rd12小鼠中的编辑效率和功能恢复

通过亚视网膜注射LNPs,2周后通过NGS检测编辑效率,通过ERG、PLR、视觉诱发电位和视网膜类维生素A分析评估功能恢复。

5

安全性评估

评估编辑的脱靶效应和细胞毒性

通过NGS分析预测脱靶位点的编辑频率,通过细胞活性检测评估毒性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Ni-Sepharose高性能微球Cytiva17526801
1D4树脂----
TALON金属亲和树脂Takara Bio635502
Superdex 200 Increase 10/300 GL柱Cytiva28990944
HiLoad 16/600 Superdex 200 pg柱Cytiva28989335
HiTrap肝素HP 5 mlCytiva17040703
DMEM/F12培养基(含GlutaMAX)Thermo Fisher10565018
胎牛血清Genesee Scientific25-514H
青霉素-链霉素Thermo Fisher15140122
胰蛋白酶-EDTA(0.05%)Thermo Fisher25300054
OptiMEM培养基Thermo Fisher31985070
Lipofectamine 3000Thermo FisherL3000008
6xHis-CM18-PTD4肽Genscript--
sgRNA(rd12-A6)IDT--
epegRNA(rd12)IDT--
SM102BroadpharmBP-25499
CL4H6Cayman Chemical37279
DODMAAvanti Polar Lipids890899
DSPCAvanti Polar Lipids850365
胆固醇Avanti Polar Lipids700100
DMG-PEG 2000Avanti Polar Lipids880151
SOPSAvanti Polar Lipids840039C
Precision NanoSystems Ignite微流控设备Precision NanoSystems--
Malvern Zetasizer Advance Nano粒度仪Malvern Panalytical--
FEI Tecnai TF20透射电子显微镜FEI--
Nanodrop ND-1000分光光度计Thermo Fisher--
Qubit高灵敏度检测试剂盒Thermo Fisher--
Illumina MiSeq测序仪Illumina--
抗Cas9抗体(克隆7A9)Biolegend844302
抗RPE65抗体In house--
SYPRO OrangeThermo Fisher--
cOmplete无EDTA蛋白酶抑制剂混合物MilliporeSigmaCOEDTAF-RO
SuperSignal West Pico Plus化学发光底物Thermo Fisher34577

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
蛋白表达与纯化
表达菌株为E. coli BL21star(DE3),诱导剂为0.8%鼠李糖,表达温度17°C,时长16-24小时
阅读提示:Methods: Expression and purification of ABE and PE
RNP组装
ABE RNPs在含10%蔗糖的缓冲液中组装,sgRNA和epegRNA需热折叠
阅读提示:Methods: ABE and PE activity assay; Delivery of ABE and PE in vitro
LNP制备
脂质组成为离子化脂质/DSPC/胆固醇/DMG-PEG 2000=50/10/38.5/1.5(摩尔比),脂质:RNA重量比40:1,微流控混合比率1:3
阅读提示:Methods: Encapsulation of ABE and PE LNPs
体内注射
rd12小鼠(3-4周龄),亚视网膜注射1 µL LNP,ABE剂量2.3-2.5 µM(515-560 ng),PE剂量1.6-2.2 µM(476-655 ng)
阅读提示:Methods: Subretinal injections; Delivery of ABE in vivo; Fig. 5j
编辑分析
注射后2周提取RPE组织DNA和RNA,使用CRISPResso2分析编辑效率
阅读提示:Methods: Next-generation sequencing; High-throughput sequencing data analysis