Cientistas Tornam o CRISPR Três Vezes Mais Eficaz

• A maquinaria de edição genética CRISPR pode transformar a medicina, mas é difícil de ser introduzida nos tecidos e células relevantes para doenças.
• Um novo sistema de entrega carrega a maquinaria CRISPR dentro de nanopartículas esféricas de ácidos nucleicos (SNA).
• As partículas entraram nas células três vezes mais efetivamente, triplicaram a eficiência da edição genética e diminuíram a toxicidade em comparação com os métodos de entrega atuais.

Com o poder de reescrever o código genético subjacente a inúmeras doenças, o CRISPR possui uma imensa promessa de revolucionar a medicina. No entanto, até que os cientistas consigam entregar sua maquinaria de edição genética de forma segura e eficiente nas células e tecidos relevantes, essa promessa permanecerá fora de alcance.

Agora, químicos da Universidade Northwestern revelaram um novo tipo de nanostrutura que melhora dramaticamente a entrega do CRISPR e potencialmente amplia seu alcance de utilidade.

Chamadas de ácidos nucleicos esféricos de nanopartículas lipídicas (LNP-SNAs), essas pequenas estruturas carregam o conjunto completo de ferramentas de edição do CRISPR – enzimas Cas9, RNA guia e um template de reparo de DNA – envolvidas em uma densa e protetora camada de DNA. Essa cobertura de DNA não apenas protege seu conteúdo, mas também determina quais órgãos e tecidos os LNP-SNAs irão visitar, facilitando sua entrada nas células.

Em testes de laboratório realizados em diferentes tipos de células humanas e animais, os LNP-SNAs entraram nas células até três vezes mais eficazmente do que os sistemas de entrega de partículas lipídicas padrão utilizados em vacinas contra a COVID-19, causaram muito menos toxicidade e aumentaram a eficiência da edição genética em três vezes. As novas nanostruturas também melhoraram a taxa de sucesso em reparos precisos de DNA em mais de 60% em comparação com os métodos atuais.

O estudo foi publicado em 5 de setembro na Proceedings of the National Academy of Sciences.

O estudo abre caminho para medicamentos genéticos mais seguros e confiáveis e ressalta a importância de como a estrutura de um nanomaterial – e não apenas seus ingredientes – pode determinar sua potência. Este princípio fundamenta a nanomedicina estrutural, um campo emergente pioneiro por Chad A. Mirkin, da Northwestern, e seus colegas, e perseguido por centenas de pesquisadores ao redor do mundo.

“O CRISPR é uma ferramenta extremamente poderosa que pode corrigir defeitos em genes para diminuir a susceptibilidade a doenças e até mesmo eliminar doenças,” disse Mirkin, que liderou o novo estudo. “Mas é difícil levar o CRISPR às células e tecidos que realmente importam. Chegar e entrar nas células certas – e nos locais certos dentro dessas células – requer um pequeno milagre. Ao usar SNAs para fornecer a maquinaria necessária para a edição genética, buscamos maximizar a eficiência do CRISPR e expandir o número de tipos de células e tecidos que podemos atingir.”

Um pioneiro em nanotecnologia e nanomedicina, Mirkin é o Professor George B. Rathmann de Química no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern; professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering; professor de medicina na Feinberg School of Medicine; diretor executivo do Instituto Internacional de Nanotecnologia; e membro do Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center da Northwestern University.

O CRISPR precisa de um transporte

Quando a maquinaria do CRISPR atinge seu alvo dentro de uma célula, pode desativar genes, corrigir mutações, adicionar novas funções e muito mais. Mas a maquinaria do CRISPR não pode entrar nas células sozinha. Ela sempre precisa de um veículo de entrega.

Atualmente, os cientistas geralmente usam vetores virais e nanopartículas lipídicas (LNPs) para essa função. Os vírus, naturalmente bons em se infiltrar nas células, são eficientes, mas podem causar ao corpo humano uma resposta imune, levando a efeitos colaterais dolorosos ou até mesmo perigosos. As LNPs, por outro lado, são mais seguras, mas ineficientes. Elas tendem a ficar presas em endossomos, ou compartimentos dentro da célula, onde não podem liberar sua carga.

“Apenas uma fração da maquinaria do CRISPR realmente entra na célula e uma fração ainda menor chega até o núcleo,” disse Mirkin. “Outra estratégia é remover células do corpo, injetar os componentes do CRISPR e depois colocar as células de volta. Como você pode imaginar, isso é extremamente ineficiente e impraticável.”

Um táxi envolto em DNA

Para superar essa barreira, a equipe de Mirkin recorreu aos SNAs, que são formas globulares – em vez de lineares – de DNA e RNA, previamente inventadas no laboratório de Mirkin na Northwestern. O material genético esférico envolve um núcleo de nanopartícula, que pode ser carregado com cargas. Com cerca de 50 nanômetros de diâmetro, essas pequenas estruturas possuem uma capacidade comprovada de entrar nas células para uma entrega direcionada. Sete terapias baseadas em SNA já estão em ensaios clínicos humanos, incluindo um ensaio clínico de fase 2 para câncer de Merkel em desenvolvimento pela Flashpoint Therapeutics, uma startup de biotecnologia em estágio clínico.

No novo estudo, a equipe de Mirkin começou com um núcleo de LNP carregando a maquinaria do CRISPR por dentro. Em seguida, adornaram a superfície da partícula com uma densa camada de curtas fitas de DNA. Como o DNA pode interagir com os receptores de superfície das células, as células absorvem facilmente os SNAs. O DNA também pode ser engenheirado com sequências que visam tipos celulares específicos, tornando a entrega mais seletiva.

“Mudanças simples na estrutura da partícula podem alterar drasticamente a maneira como uma célula a absorve,” disse Mirkin. “A arquitetura do SNA é reconhecida por quase todos os tipos de células, então as células ativamente absorvem os SNAs e os internalizam rapidamente.”

Desempenho aprimorado em todos os aspectos

Após sintetizar com sucesso os LNP-SNAs com a carga do CRISPR, Mirkin e sua equipe os adicionaram a culturas celulares, que incluíam células da pele, células brancas do sangue, células-tronco da medula óssea humana e células renais humanas.

Em seguida, a equipe observou e mediu vários fatores-chave: como as células internalizaram as partículas, se as partículas eram tóxicas para as células e se as partículas entregaram com sucesso um gene. Eles também analisaram o DNA das células para determinar se o CRISPR havia realizado as edições desejadas. Em todas as categorias, o sistema demonstrou sua capacidade de entregar com sucesso a maquinaria do CRISPR e permitir modificações genéticas complexas.

Next, Mirkin planeja validar ainda mais o sistema em múltiplos modelos de doenças in vivo. Como a plataforma é modular, os pesquisadores podem adaptá-la para uma ampla gama de sistemas e aplicações terapêuticas. A spinoff da biotecnologia da Northwestern, Flashpoint Therapeutics, está comercializando a tecnologia com o objetivo de avançá-la rapidamente para ensaios clínicos.

“O CRISPR pode mudar completamente o campo da medicina,” disse Mirkin. “Mas como projetamos o veículo de entrega é tão importante quanto as próprias ferramentas genéticas. Ao unir duas poderosas biotecnologias – CRISPR e SNAs – criamos uma estratégia que pode desbloquear todo o potencial terapêutico do CRISPR.”

O estudo, “Uma estratégia geral de edição do genoma usando ácidos nucleicos esféricos lipídicos CRISPR”, foi apoiado pelo Air Force Office of Scientific Research (número do prêmio FA9550-22-1-0300), pela National Science Foundation (número do prêmio DMR-2428112) e por Edgar H. Bachrach através da Bachrach Foundation.