在當前的癌癥治療策略中，誘導腫瘤細胞凋亡是關鍵一環(huán)。腫瘤細胞通過抑制正常的凋亡機制，實現(xiàn)了不受控制的增殖。基因編輯技術，尤其是CRISPR-Cas9系統(tǒng)，因其能夠精準調控細胞功能而備受關注。然而，如何在體內實現(xiàn)該系統(tǒng)的精準控制仍然是一個挑戰(zhàn)。結合磁熱療法，利用其高滲透性和低毒性，通過控制熱效應與CRISPR-Cas9技術協(xié)同作用，可以開發(fā)出一種新型的腫瘤治療方法。這種磁熱與基因編輯相結合的療法展現(xiàn)出顯著的治療潛力，為腫瘤精準醫(yī)學提供了新的策略。

近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所在《Journal of Nanobiotechnology》（1區(qū)Top，影響因子：10.6）期刊上發(fā)表了一篇題為"Magnetothermal-activated gene editing strategy for enhanced tumor cell apoptosis"的研究論文。這項研究提出了一種全新的基因編輯策略--磁熱激活基因編輯技術，并開發(fā)了一種創(chuàng)新的磁熱激活CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)。該系統(tǒng)精準地靶向腫瘤細胞的HSP70和BCL2基因，顯著增強了腫瘤細胞的凋亡，為癌癥治療提供了新的可能性。

磁熱療法以其高滲透性和低毒性成為理想的治療手段，但單獨使用難以完全誘導腫瘤細胞凋亡。將磁熱療法與CRISPR-Cas9系統(tǒng)結合，能夠在中等溫度下提高腫瘤細胞凋亡率。研究開發(fā)了一種磁熱納米粒子平臺，利用交變磁場控制的熱效應與CRISPR-Cas9系統(tǒng)的協(xié)同作用，靶向HSP70和BCL2基因，從而增強治療效果，并減少對正常組織的損傷。這種磁熱-基因編輯療法顯示出在腫瘤精準醫(yī)學中應用的良好潛力。

一、納米基因編輯系統(tǒng)MPDH的制備與特征

為了制備MPDH納米基因編輯系統(tǒng)，研究人員首先采用種子介導法合成了磁熱納米粒子MNPs（ZnCoFe2O4 @ ZnMnFe2O4）。這些納米顆粒的尺寸約為15.3nm，具有優(yōu)異的單分散性。通過使用C18-PEI對納米顆粒表面進行修飾，研究人員提高了細胞攝取效率和質粒DNA的負載能力，從而獲得了能夠在水和PBS中穩(wěn)定分散的MP納米顆粒。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和熱重分析（TGA）證實了表面改性的成功，為后續(xù)的生物醫(yī)學應用提供了堅實的基礎。MPDH納米基因編輯系統(tǒng)通過靜電吸附質粒，有效結合Cas9，并展現(xiàn)出穩(wěn)定的尺寸和分散性。

為了評估MPDH納米粒子的磁熱性能，研究人員在1.7 mT的安全磁場強度下進行了測試。MPDH的飽和磁化強度為75.4 emu/g，顯著高于傳統(tǒng)的鐵或氧化鐵磁性納米顆粒。在1.35 kA·m的交變磁場下，MPDH的溫度在4 mg/mL濃度時可以從28°C迅速升高至42°C，適合用于輕度磁熱治療。紅外熱成像顯示了MPDH的溫度-時間分布，通過循環(huán)實驗和長期監(jiān)測證明了其磁熱性能的穩(wěn)定性和重復性，溫度穩(wěn)定在42°C左右。這些結果表明，質?？梢酝ㄟ^高效的pH響應和熱響應進行釋放，為腫瘤靶向基因編輯和精準醫(yī)療提供了理想的特性。

圖1納米基因編輯系統(tǒng)MPDH的制備與表征

二、體外溫和磁熱驅動的抗凋亡基因組破壞

在體外治療研究中，研究人員首先使用Cell Counting Kit-8 (CCK-8) 評估了MP/MPD/MPDH納米顆粒的細胞毒性。結果顯示，這些納米顆粒在不同濃度下對4T1細胞幾乎沒有顯著毒性，表明其良好的生物相容性。特別是MPFD處理的4T1細胞在200-800 μg/mL濃度范圍內顯示出更高的細胞活性，可能由于透明質酸（HA）中和了聚乙烯亞胺（PEI）表面的過量正電荷。MPFD納米顆粒對正常C166小鼠內皮細胞也表現(xiàn)出較低的細胞毒性。 進一步研究發(fā)現(xiàn)，MPDH納米顆粒在4T1細胞中的內化效率高于C166細胞，表明HA修飾增強了MPDH的靶向性。共聚焦成像顯示，納米顆粒逐漸與溶酶體共定位，并且PEI的質子海綿效應有助于內體逃逸，從而促進質粒釋放進入細胞核。

在磁熱觸發(fā)基因編輯方面，使用HSP70啟動子驅動的EGFP質粒評估轉染效率時，磁熱處理組的EGFP熒光顯著強于未經(jīng)磁熱誘導的組。流式細胞術結果表明，輕度磁熱組的EGFP陽性率為52.6%，磁熱處理20分鐘后，EGFP陽性細胞比例達到最高（61.4%）。這表明磁熱控制CRISPR-Cas9系統(tǒng)能夠精確調控基因編輯，減少非特異性編輯事件。

圖2 MP/MPD/MPDH 納米顆粒的細胞毒性的評估

三、溫和磁熱聯(lián)合基因編輯的治療潛力的探索

在4T1腫瘤細胞的基因編輯中，結合輕度磁熱的處理顯著增強了基因編輯效果，促進了腫瘤細胞的凋亡。磁熱處理組（MH）和MPDH聯(lián)合磁熱處理組（MPDH+MH）的細胞凋亡率顯著高于對照組，其中MPDH+MH組的凋亡率達到95.8%。此外，CCK-8測定結果顯示MPDH+MH組顯著抑制了腫瘤細胞增殖，顯示了其良好的治療潛力。這些結果表明，靶向腫瘤凋亡相關基因的磁熱療法可以有效地上調腫瘤細胞凋亡并下調增殖。

研究人員通過Western blot分析了MPDH+MH在誘導細胞凋亡中的作用，發(fā)現(xiàn)MPDH+MH處理組中促凋亡蛋白Bax、caspase-3和細胞色素C表達上調，抗凋亡蛋白Bcl-2和HSP70表達下調。MPDH+MH組的促凋亡蛋白表達最高，抗凋亡蛋白表達最低。溫和磁熱和CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)在誘導腫瘤細胞凋亡中表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應，通過雙重調控HSP70和Bcl-2實現(xiàn)，磁熱激活了熱休克反應通路，降低了HSP70和Bcl-2的表達，CRISPR-Cas9系統(tǒng)進一步降低了相關基因表達。這種機制促進了細胞色素C的釋放和凋亡信號通路的激活。T7核酸內切酶I（T7E1）測定法顯示MPDH+MH聯(lián)合處理組的HSP70和BCL2基因組突變頻率顯著高于單獨處理組，qRT-PCR結果也證實了MPDH+MH組HSP70和BCL2 mRNA表達顯著降低。這表明磁熱激活的納米基因編輯系統(tǒng)能夠高效、準確地編輯腫瘤相關基因，為體外基因治療提供了一種潛在的新策略。

圖3 磁熱激活的納米基因編輯系統(tǒng)編輯腫瘤相關基因的潛力評估

四、磁熱介導的基因編輯在體內誘導腫瘤凋亡

為了評估磁熱增強CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)的體內腫瘤凋亡誘導和生長抑制能力，研究人員利用4T1荷瘤小鼠模型評估。小鼠隨機分為對照組、MPDH治療組、磁熱治療（MH）組和MPDH聯(lián)合輕度磁熱療（MPDH+MH）組。經(jīng)過MPDH納米顆粒注射后，MH和MPDH+MH組的小鼠接受了為期三天的輕度磁熱治療。結果顯示，MPDH+MH組顯著抑制了腫瘤生長，腫瘤細胞死亡率高，腫瘤大小顯著減少，且在治療第35天生存率達到80%，而MH組僅為30%。所有治療組的體重變化無顯著差異，表明對小鼠整體健康影響較小。

圖4 磁熱介導的基因編輯的體內抗腫瘤療效

為了驗證治療效果，研究人員對腫瘤組織進行了蘇木精和伊紅（H&E）染色和末端脫氧核苷酸轉移酶dUTP缺口末端標記（TUNEL）染色。正如H&E染色和TUNEL分析所揭示的那樣，與其他治療組相比，MPDH + MH組在腫瘤組織中的凋亡和壞死細胞數(shù)量顯著增加。5Ki-67抗體染色也證實了MPDH+MH組對腫瘤細胞增殖活性的顯著抑制，從而驗證了MPDH+MH的顯著腫瘤抑制作用。

為了評估MPDH的體內基因編輯效果，研究人員使用Western blot分析和深度測序法對腫瘤組織中的HSP70和BCL2表達進行了評估。結果顯示，MPDH + MH治療組的HSP70和BCL2蛋白表達水平顯著降低，mRNA分析進一步確認了基因的有效敲低。此外，通過DNA測序，MPDH + MH組的HSP70和BCL2基因突變頻率分別為7.6%和27.8%。治療后，進行了小鼠的全血細胞計數(shù)、血清生化分析以及器官的組織病理學檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的器官損傷或炎癥，血液和肝腎功能指標均正常。這些結果表明，MPDH結合磁熱的基因編輯治療系統(tǒng)在治療過程中具有良好的生物安全性。

圖5 磁熱聯(lián)合基因編輯治療系統(tǒng)的生物安全性評估

綜上所述，這項研究創(chuàng)造性地設計了一種熱響應型納米系統(tǒng)，利用磁熱效應在腫瘤細胞中實現(xiàn)CRISPR-Cas9系統(tǒng)的精確基因編輯。通過外部磁場誘導的溫和加熱，該系統(tǒng)能夠調控HSP70和BCL2等關鍵蛋白的表達，從而對癌細胞進行針對性的殺傷。這種方法在保護周圍健康組織的同時，顯著提高了腫瘤治療的效率和特異性。這一CRISPR-Cas9技術的進展為腫瘤治療提供了一種新的精準醫(yī)學策略，并為臨床應用帶來了潛在的前景。

原文鏈接： https://doi.org/ 10.1186/s12951-024-02734-8

本文由“健康號”用戶上傳、授權發(fā)布，以上內容（含文字、圖片、視頻）不代表健康界立場?！敖】堤枴毕敌畔l(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務，如有轉載、侵權等任何問題，請聯(lián)系健康界（jkh@hmkx.cn）處理。

相關知識

CRISPR基因編輯聯(lián)合磁熱激活：助力腫瘤精準醫(yī)學的新策略
河南大學師冰洋團隊開發(fā)新型納米膠囊，突破血腦屏障，高效編輯腦腫瘤細胞
Nature子刊：通過CRISPR基因編輯治療肥胖，讓脂肪細胞燃燒產(chǎn)熱
CRISPR基因編輯對肥胖下手了，改造白色脂肪細胞，治療肥胖和糖尿病
誰將拿下國產(chǎn)首款基因編輯治療藥物？
滬上專家通過磁感應可編程ROS開拓磁力熱協(xié)同腫瘤治療新模式
30%人類被貓感染弓形蟲，通過“精神控制”，讓被感染者更愛冒險，CRISPR基因編輯開發(fā)出預防疫苗
基因編輯領域先驅張鋒團隊：或將開啟基因編輯的下一世代
樊嘉院士：肝癌治療未來策略 = 聯(lián)合+精準+綜合
上海交通大學研究團隊提出全新的腫瘤代謝激活免疫治療策略

網(wǎng)址: CRISPR基因編輯聯(lián)合磁熱激活：助力腫瘤精準醫(yī)學的新策略 http://m.gysdgmq.cn/newsview1270900.html