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網(wǎng)站首頁/新材料/納米材料熱點/Angew: 基于金納米棒的乏氧響應性基因編輯系統(tǒng)用于低溫光熱治療

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納米材料熱點

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新材料產(chǎn)品

Angew: 基于金納米棒的乏氧響應性基因編輯系統(tǒng)用于低溫光熱治療

▲第一作者：李雪晴潘永春

通訊作者：宋玉君教授韓欣教授

通訊單位：南京大學南京中醫(yī)藥大學

論文DOI：10.1002/anie.202107036

01

全文速覽

南京大學宋玉君教授及南京中醫(yī)藥大學韓欣教授團隊合作構(gòu)建了一種以乏氧響應性金納米棒為基礎的CRISPR-Cas9納米復合物，利用乏氧敏感的偶氮鍵實現(xiàn)CRISPR-Cas9的按需釋放，通過腫瘤靶向基因編輯以實現(xiàn)低溫熱療。

02

背景介紹

光熱療法（PTT）作為一種新興的腫瘤治療方法，由于其副作用小，療效顯著和時空操控精度高等特點，在腫瘤治療領域引起了越來越多的關注。然而，這種療法通常需要50℃以上的高溫來消融腫瘤，這不可避免地會對附近的正常組織造成熱損傷，并導致復發(fā)或轉(zhuǎn)移的風險。因此，迫切需要采用溫和的PTT策略來克服腫瘤的耐熱性。而較低溫度的PTT(38-43℃)則會激活癌細胞自我保護路徑，如產(chǎn)生熱休克蛋白(HSPs)，影響PTT的治療效果。因此如何在相對較低的溫度下實現(xiàn)理想的治療效果仍然是PTT臨床轉(zhuǎn)化道路上的一大挑戰(zhàn)。

03

本文亮點

基于以上挑戰(zhàn)，宋玉君教授和韓欣教授團隊構(gòu)建了一種以乏氧響應性金納米棒為基礎的CRISPR-Cas9納米復合物APACPs，通過腫瘤靶向基因編輯以實現(xiàn)低溫熱療。具體來說，該體系通過乏氧響應性偶氮苯-4，4'-二羧酸將Cas9/sgRNA與金納米棒共價連接起來，并包被上聚乙烯亞胺。在乏氧腫瘤微環(huán)境中，APACPs中的偶氮基團被還原酶的過度表達選擇性破壞，實現(xiàn)了Cas9的按需釋放和隨后的靶向HSP90α的基因編輯。由于HSP90α的基因敲除降低了腫瘤細胞的熱阻，所以APACPs系統(tǒng)可以通過低溫熱療實現(xiàn)高效的體內(nèi)外腫瘤消融。這種治療方案一方面實現(xiàn)了APACPs系統(tǒng)中Cas9/sgRNA在腫瘤微環(huán)境中的按需釋放，另一面有效地克服了高溫熱療引起的附近正常器官的熱損傷，并以低損傷的方式殺死腫瘤細胞, 為低溫熱療提供了提供了一個高效可行的方案。

04

圖文解析

▲圖1. 納米復合材料表征。

本文首先對APACPs進行了表征，證實了Cas9/sgRNA通過偶氮苯-4，4'-二羧酸的成功修飾。金納米棒用巰基聚乙二醇胺基處理（表示為APs），之后與乏氧敏感的偶氮苯-4，4'-二羧酸共價鏈接（稱為APAs）。隨后，Cas9/sgRNA核糖核蛋白復合物共價組裝在APAs上（簡稱APACs）。為了促進細胞攝取，將所得納米顆粒用帶正電的聚乙烯亞胺包裹，形成APACPs（圖1A、B）。制備APACPs的逐步修飾過程也通過zeta電位分析，傅里葉變換紅外光譜和紫外-可見吸收光譜進行了驗證（圖1C，E 和F）。為了直接證實Cas9/sgRNA的成功修飾，通過高倍透射電鏡進行監(jiān)測，在APACPs中發(fā)現(xiàn)了明顯的金和磷元素，分別對應于金納米棒和sgRNA（圖1D）。

▲圖2. 近紅外光照與基因編輯協(xié)同作用引發(fā)的A549細胞凋亡

接下來，本文系統(tǒng)驗證了細胞水平上APACPs的乏氧響應特性及其在低溫光熱治療上的效果。此處選擇HSP90α基因作為靶位點進行基因敲除以實現(xiàn)低溫熱療（圖2A）。APACPs系統(tǒng)在與近紅外光照(808nm）聯(lián)合乏氧處理A549細胞時，其凋亡率顯著增加至52.0%，遠高于其他方法處理的細胞（2D, E）。Westernblot及SURVEYOR結(jié)果顯示，與其他治療方法相比，該方法良好的治療效果由靶向敲除HSP90α基因，從而顯著降低HSP90α表達實現(xiàn)（2B, C）。上述結(jié)果表明，APACPs可在乏氧條件下實現(xiàn)Cas9/sgRNA的按需釋放，并在敲除HSP90α基因后，實現(xiàn)在較低溫度下針對腫瘤細胞的有效治療。

▲圖3. APACPs的體內(nèi)抗腫瘤作用

隨后本文進一步探究了動物水平上該系統(tǒng)針對腫瘤部位的治療效果（3A）。在A549荷瘤小鼠模型中，與其他治療方法相比，APACPs+NIR可以顯著抑制腫瘤的生長（3B，C and D）。此外，蘇木精-伊紅染色、原位TUNEL分析和KI67染色顯示，實驗組的腫瘤部位損傷最為嚴重，而對照組的損傷程度較低。此外，HSP90α的免疫組化研究表明在實驗組中發(fā)現(xiàn)HSP90α表達降低，突變分析也有力地證實了APACPs可通過Cas9介導的HSP90α基因敲除實現(xiàn)癌細胞對低溫熱療的可耐受性降低（3E, F）。體內(nèi)實驗證實了在動物水平上，APACPs體系可在低功率紅外光的輔助下，有效抑制腫瘤增長。

05

總結(jié)與展望

本文構(gòu)建了Cas9介導的低溫熱療乏氧響應性納米系統(tǒng)。在這個體系中，乏氧響應的偶氮苯被用來共價連接CRISPR系統(tǒng)和金納米棒。通過制備靶向HSP90α基因的sgRNA，并將金納米棒應用于光熱轉(zhuǎn)換器，將近紅外光（808nm）轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)熱，在體外和體內(nèi)實現(xiàn)了靶向低溫熱療和協(xié)同抗癌作用。這種基于基因編輯的納米系統(tǒng)有效地克服了熱療引發(fā)的對周圍正常器官的熱損傷，并以微創(chuàng)的方式殺死了癌癥，具有巨大的臨床應用潛力。更重要的是，這項工作為腫瘤靶向基因編輯提供了一種有前景的策略，并將CRISPR-Cas9技術(shù)與精確醫(yī)學聯(lián)系起來。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107036

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