《Nat Cell Biol:利用CRISPR对免疫反应进行编辑,使得基因疗法更有效》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2020-09-18
  • 基因治疗一般依靠腺相关病毒(AAV)等病毒将基因递送到细胞中。在基于CRISPR的基因疗法中,分子剪刀可以移除有缺陷的基因,并添加一个缺失的序列或暂时改变它的表达,但人体对AAV的免疫反应会阻碍整个努力。

    为了克服这一障碍,来自美国匹兹堡大学医学院的研究人员在一项新的研究中构建出一种以不同方式使用CRISPR的系统。他们的系统短暂地抑制了与AAV抗体产生有关的基因,这样这种病毒就可以不受阻碍地递送它携带的基因货物。相关研究结果近期发表在Nature Cell Biology期刊上,论文标题为“Synthetic immunomodulation with a CRISPR super-repressor in vivo”。

    论文共同通讯作者、美国匹兹堡大学病理学副教授Samira Kiani博士说,“许多临床试验失败是因为针对AAV基因治疗的免疫反应。你不能重新注射这种病毒载体,这是因为人们已对它产生了免疫力。”

    因此,Kiani和她的长期合作者Mo Ebrahimkhani博士开始对与人体针对AAV的免疫反应有关的基因表达进行修改。但是,这样的基因对正常的免疫功能很重要,这些研究人员并不想永远关闭它,只是想暂时地抑制它。

    鉴于CRISPR是一个如此方便的编辑基因组的系统,Kiani和Ebrahimkhani认为他们会利用它改变对参与免疫反应的基因进行协调的主开关。

    Ebrahimkhani说,“我们可做到一石二鸟。你能够利用CRISPR进行基因治疗,你也能够利用CRISPR控制免疫反应。”

    这些研究人员利用他们的CRISPR控制的免疫抑制系统治疗小鼠,随后再次将它们暴露在AAV中时,它们并没有产生更多的抗体来对抗这种病毒。与对照小鼠相比,这些接受治疗的小鼠更容易接受后续的基于AAV递送的基因疗法。

    除了基因治疗之外,这项研究还表明,基于CRISPR的免疫抑制可以预防或治疗小鼠所患的败血症,凸显了这一工具对治疗一系列炎症性疾病具有广泛有用的潜力,包括细胞因子风暴和急性呼吸窘迫综合征,这两种疾病都会在COVID-19患者中出现,不过还需要开展更多的研究来设计安全功能。

    论文第一作者、Kiani实验室博士生博士生Farzaneh Moghadam说,“这项研究的主要目标是开发基于CRISPR的工具来治疗炎症性疾病。但是当我们观察骨髓样本时,我们发现,与对照小鼠相比,利用我们的工具治疗的小鼠对AAV的免疫反应较低。这是非常有趣的,所以我们开始探索这种工具如何有助于降低针对AAV的抗体形成,并有可能解决基因治疗试验的安全性和有效性问题。”

    Kiani共同创立了SafeGen Therapeutics公司,目标是将这一技术应用于临床。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41556-020-0563-3; https://phys.org/news/2020-09-immune-response-gene-therapy-effective.html
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
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    • 最近几年,CRISPR基因编辑系统在癌症治疗领域被广泛探索,它可以精准编辑患者特定基因,并与腺病毒载体(AAV)结合,快速有效地激活免疫系统,以对癌细胞发起攻击。然而,由于个体间存在差异,导致现有疗法很难在大部分患者群体中取得良好的效果。 通常情况下,每个人的免疫细胞T细胞表面都有特异性受体(TCR),可以特异性识别癌细胞突变。为此,科学家们假设,如果能将患者T细胞受体分离出来,在经基因编辑后再重新输入到免疫细胞中,或许可以产生个性化且有效的细胞疗法。 近期,发表在《Nature》上一篇最新研究中,来自加州大学洛杉矶分校等多机构的研究团队首次开发了一种基于CRISPR/Cas9的非病毒精准基因组编辑的临床级疗法,可以有效重定向免疫细胞以识别自身癌细胞中的突变。在首次人体临床试验中,该疗法取得良好的效果。该研究证明了非病毒精确基因组工程用于制造临床级基因工程过继细胞转移疗法的可行性和安全性。 在这项新研究中,该团队开发了一种一种基于CRISPR/Cas9非病毒精确基因组编辑的临床级方法。该方法同时敲除两个内源性TCR基因TCRα(TRAC)和TCRβ(TRBC),并在TRAC位点插入新抗原特异性TCR(neoTCR)的两条链。然后,利用了一系列技术来有效定义T细胞对超过60个人类白细胞抗原(HLA)I类等位基因突变的新抗原反应。 在首次人体1期临床试验中,他们治疗了16名患有各种难治性实体瘤患者,包括结肠癌、乳腺癌和肺癌。从患者血液中分离出T细胞受体(TCR)与个性化可溶性预测新抗原-HLA捕获试剂结合显示,患者自身癌症有多达350个突变,超过5000个突变靶向34种HLA亚型。 然后,研究人员对免疫细胞特异性识别癌症突变的TCR基因进行测序,发现共有175个新分离的neoTCR。最后,他们通过一步式CRISPR编辑,敲除现有的TCR,并将经基因编辑的neoTCR敲入患者自身的免疫细胞中,以重新引导免疫细胞特异性识别癌症中的突变。 16名患者接受了三种不同的基因工程细胞产品,每种都表达患者特异性的neoTCR。治疗期间,所有人都出现了化疗的预期副作用,其中一名患者出现了1级细胞因子释放综合征;另一名患者出现了3级脑炎。最终,5名患者病情稳定,其余11名患者的疾病进展为最佳治疗反应。 研究人员在输注后的肿瘤活检中检测到经基因编辑的NeoTCR T细胞,其频率要高于输注前的天然TCR。 总之,这项研究证明了这种新方法的可行性,包括分离和克隆多个识别癌细胞突变的免疫细胞受体、使用一步式非病毒精确基因组编辑同时敲除内源性免疫细胞受体并敲入重定向受体、制造临床级TCR工程T细胞。此外,该研究还证明了输注三种基因编辑的新TCR T细胞的安全性,以及基因工程T细胞递送到肿瘤的能力。
  • 《Nature:无需病毒载体,利用电穿孔成功对人T细胞进行CRISPR基因编辑》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
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    • 在一项新的研究中,来自美国加州大学旧金山分校的研究人员在不使用病毒插入DNA的情形下对人T细胞(一种免疫细胞)进行重编程。这一成就对研究、医学和产业产生重大的影响。他们期待他们的方法---一种快速的通用的经济的采用CRISPR基因编辑技术的方法---将会在新兴的细胞治疗领域中得到广泛使用,加速开发出新的更加安全的治疗癌症、自身免疫疾病和其他疾病(包括罕见的遗传性疾病)的疗法。相关研究结果于2018年7月11日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Reprogramming human T cell function and specificity with non-viral genome targeting”。 这种新方法提供了一种强大的分子“剪切和粘贴”系统,用于重写人T细胞中的基因组序列。它依赖于电穿孔,即一种将电场施加到细胞上使得它们的细胞膜暂时地更具有渗透性。在一年内试验了数千个变量之后,这些研究人员发现,当某些数量的T细胞、DNA和CRISPR“剪刀”混合在一起然后暴露在一种适当的电场中时,这些T细胞将摄入DNA和CRISPR剪刀,并且精确地将特定的基因序列整合到CRISPR在基因组中的靶切割位点上。 论文通信作者、加州大学旧金山分校微生物学与免疫学副教授Alex Marson博士说,“这是一种快速而又灵活的方法,可用于改变、强化和重编程T细胞,这样我们就能够给它们提供我们想要的特异性来清除癌症、识别感染或者抑制自身免疫性疾病中观察到的过度免疫反应。” Marson说,不过与这种新方法的速度和易用性同样重要的是它使得将比较长的DNA序列插入到T细胞中成为可能,这种插入会给这些T细胞赋予强大的新特性。Marson实验室的成员已在利用电穿孔和CRISPR将短DNA片段插入到T细胞中取得了一些成功,但是,在此之前,许多科学家们将较长的DNA序列插入到T细胞中的多次尝试导致这些T细胞死亡,这就让大多数人认为较长的DNA序列对T细胞是极其有毒性的。 为了证实这种新方法的多功能性和功效,这些研究人员利用它修复来自三名患有一种罕见遗传形式的自身免疫疾病的儿童的T细胞中的引起疾病的基因突变,并且还利用它构建出定制的T细胞来寻找和杀死人黑色素瘤细胞。 病毒通过将它们自己的遗传物质注射到细胞中而引起感染,而且自20世纪70年代以来,科学家们借鉴病毒的这种能力,除去它们的传染性,由此产生的“病毒载体”可将DNA转运到细胞中用于研究和基因治疗,并且构建CAR-T细胞用于癌症免疫疗法。 如今,利用病毒对T细胞进行基因改造已被美国食品药物管理局(FDA)批准用于抵抗某些类型的白血病和淋巴瘤。但是构建病毒载体是一个艰苦而成本昂贵的过程,而且临床级病毒载体的短缺导致基因疗法和基于细胞的疗法陷入制造瓶颈。即使在可用的情况下,病毒载体也是很不理想的,这是因为它们将基因随意地插入到细胞基因组中,这可能损害现有的健康基因或让新导入的基因不受确保细胞发挥正常功能的调节机制的调节。这些限制可能潜在地导致严重的副作用,因而在基因疗法和细胞疗法(比如基于CAR-T细胞的免疫疗法)中引发人们的担忧。 论文第一作者、在加州大学旧金山分校医学科学家培训计划攻读博士学位的研究生Theo Roth说,“已有30多年的研究工作试图将新的基因导入到T细胞中。如今,应当不再需要实验室中的六到七个人利用病毒对T细胞进行基因改造,而且如果我们开始看到数百个实验室而不是少数实验室对这些T细胞进行基因改造,并研究越来越复杂的DNA序列,那么我们将尝试更多的可能性以便显著加快未来几代细胞疗法的开发。” 经过将近一年的反复试验,Roth确定了T细胞群体、DNA量和CRISPR丰度的比例,并且在施加具有适当参数的电场的情形下,能够高效而又准确地编辑T细胞的基因组。 为了验证这些发现,Roth利用CRISPR给一系列不同的T细胞蛋白标记上绿色荧光蛋白(GFP),这种标记结果是高度特异性的,具有非常低水平的“脱靶”效应:仅通过Roth设计出的CRISPR模板而被标记上GFP的每个亚细胞结构才会在显微镜下发出绿色荧光。 随后,在旨在对这种新方法的治疗前景进行概念验证的补充实验中,Roth、Marson及其同事展示了它如何潜在地被用来引导T细胞抵抗自身免疫疾病或癌症。 在第一组补充实验中,Roth及其同事们使用了美国耶鲁大学医学院医学博士Kevan Herold提供给Marson实验室的T细胞。这些T细胞来自三名患有罕见的严重性自身免疫疾病而且迄今为止一直对治疗产生抵抗力的兄弟姐妹。基因组测序已表明这三名儿童的T细胞在IL2RA基因上携带着突变。这个基因含有表达一个细胞表面受体的指令。这个细胞表面受体是控制其他的免疫细胞和阻止自身免疫反应的调节性T细胞产生所必需的。 利用这种非病毒CRISPR技术,这些研究人员能够快速地修复这三名儿童T细胞中的IL2RA突变,并恢复受到这种突变影响的细胞信号。在CAR-T细胞免疫治疗中,已从患者体内取出的T细胞经过基因改造后能够增强它们的抗癌能力,随后将它们灌注回患者体内,从而靶向攻击肿瘤。这些研究人员希望一种类似的方法也可能有效地治疗调节性T细胞发生功能故障的自身免疫疾病,比如这三名携带着IL2RA突变的儿童所患的疾病。 在第二组补充实验中,通过与加州大学洛杉矶分校帕克癌症免疫疗法研究所的Cristina Puig-Saus博士和Antoni Ribas博士合作,Marson团队利用已经过特异性地基因改造靶向摧毁一种特定的人黑色素瘤细胞亚型的新型T细胞受体完全取代一种正常的人T细胞群体携带的天然T细胞受体。T细胞受体是T细胞用来检测疾病或感染的传感器,并且在实验室培养皿中,这些经过基因改造的T细胞高效地靶向黑色素瘤细胞并且同时忽略其他的细胞,从而表现出精确癌症医学所需的靶向特异性。 在不使用病毒的情况下,这些研究人员能够产生大量的经过CRISPR重编程的T细胞,这些T细胞经重编程后产生新的T细胞受体。当被移植到已植入人黑素色瘤的小鼠中时,这些经过CRISPR重编程的人T细胞进入肿瘤部位并显示出抗癌活性。 Marson 说,“这种替换T细胞受体的策略能够推广到任何一种T细胞受体。通过这种新技术,我们能够对基因组的特定位点进行分子剪切和粘贴,从而重写基因组序列中的特定片段。” Roth说,鉴于这种新技术能够在一周多一点的时间内构建出可行的定制T细胞系,它已改变了Marson实验室的研究环境。针对之前因病毒载体带来的障碍而被认为过于困难或昂贵的实验的想法如今能够加以研究。Roth说,“我们将研究20个'疯狂'的想法,这是因为我们能够非常快速地创建CRISPR模板,而且一旦我们有了模板,我们就能够将它放入T细胞中并快速地培养这些T细胞。” 在面对人们普遍认为病毒载体是必需的以及T细胞仅耐受小片段DNA的情形下,Marson将这种新方法的成功归功于Roth的“绝对坚持”。“Roth确信如果我们能够找到合适的条件,我们就能够克服这些明显的限制,而且他付出了巨大的努力来测试数千种不同的条件:CRISPR与DNA的比例;不同的T细胞培养方法;不同的电流。通过优化每个参数并将最佳条件放在一起,他能够观察到这个令人吃惊的结果。”