Les scientifiques du Centre de recherche sur le cancer Fred Hutchinson ont fait un pas en avant pour rendre la thérapie génique plus pratique en simplifiant la façon dont les instructions de modification des gènes sont transmises aux cellules. En utilisant une nanoparticule d'or au lieu d'un virus inactivé, ils ont fourni en toute sécurité des outils d'édition de gènes dans des modèles de laboratoire de VIH et de troubles sanguins héréditaires, comme indiqué le 27 mai dans Matériaux naturels .

C'est la première fois qu'une nanoparticule d'or chargée de CRISPR est utilisée pour éditer des gènes dans un sous-ensemble rare mais puissant de cellules souches sanguines, la source de toutes les cellules sanguines. La nanoparticule d'or porteuse de CRISPR a permis une édition réussie des gènes dans les cellules souches du sang sans effets toxiques.

« Alors que les thérapies géniques font leur chemin à travers les essais cliniques et deviennent disponibles pour les patients, nous avons besoin d'une approche plus pratique, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Jennifer Adair, membre adjoint de la division de recherche clinique chez Fred Hutch, ajoutant que les méthodes actuelles de thérapie génique sont inaccessibles à des millions de personnes dans le monde. "Je voulais trouver quelque chose de plus simple, quelque chose qui fournirait passivement l'édition de gènes aux cellules souches sanguines. »

Alors que CRISPR a rendu plus rapide et plus facile la livraison précise de modifications génétiques au génome, il a encore des défis. Faire accepter aux cellules les outils d'édition de gènes CRISPR implique un petit choc électrique qui peut endommager et même tuer les cellules. Et si des modifications génétiques précises sont nécessaires, ensuite, des molécules supplémentaires doivent être conçues pour les fournir, ce qui augmente les coûts et le temps.

Les nanoparticules d'or sont une alternative prometteuse car la surface de ces minuscules sphères (environ 1 milliardième de la taille d'un grain de sel de table) permet à d'autres molécules de s'y coller facilement et de rester collées.

"Nous avons conçu les nanoparticules d'or pour traverser rapidement la membrane cellulaire, esquiver les organites cellulaires qui cherchent à les détruire et aller directement au noyau cellulaire pour éditer les gènes, " a déclaré le Dr Reza Shahbazi, un chercheur postdoctoral Fred Hutch qui a travaillé pendant sept ans avec des nanoparticules d'or pour l'administration de médicaments et de gènes.

Shahbazi a fabriqué les particules d'or à partir d'or de qualité laboratoire qui est purifié et se présente sous forme liquide dans une petite bouteille de laboratoire. Il a mélangé l'or purifié dans une solution qui fait que les ions d'or individuels forment de minuscules particules, dont les chercheurs ont ensuite mesuré la taille. Ils ont découvert qu'une taille particulière - 19 nanomètres de large - était la meilleure pour être suffisamment grande et collante pour ajouter des matériaux d'édition de gènes à la surface des particules, tout en étant suffisamment petit pour que les cellules les absorbent.

Emballé sur les particules d'or, l'équipe de Fred Hutch a ajouté ces composants d'édition de gènes (schéma disponible) :

• Un type de guide moléculaire appelé crRNA agit comme un GPS génétique pour montrer au complexe CRISPR où dans le génome pour faire la coupe.
• protéine nucléase CRISPR, souvent appelés "ciseaux génétiques, " fait la coupe dans l'ADN. La protéine nucléase CRISPR la plus souvent utilisée est Cas9. Mais les chercheurs de Fred Hutch ont également étudié Cas12a (anciennement appelé Cpf1) parce que Cas12a fait une coupe décalée dans l'ADN. Les chercheurs espéraient que cela permettrait aux cellules de plus réparer efficacement la coupure et, ce faisant, intégrer les nouvelles instructions génétiques dans la cellule.Un autre avantage de Cas12a par rapport à Cas9 est qu'il ne nécessite qu'un seul guide moléculaire, ce qui est important en raison des contraintes d'espace sur les nanoparticules. Cas9 nécessite deux guides moléculaires.
• Instructions pour les changements génétiques à apporter ("ssDNA"). L'équipe de Fred Hutch a choisi deux modifications génétiques héréditaires qui confèrent une protection contre la maladie :CCR5, qui protège du VIH, et l'hémoglobine gamma, qui protège contre les troubles sanguins tels que la drépanocytose et la thalassémie.
• Un revêtement d'une polyéthylèneimine essaime la surface des particules pour leur donner une charge plus positive, ce qui leur permet d'être plus facilement absorbés dans les cellules. Il s'agit d'une amélioration par rapport à une autre méthode pour amener les cellules à utiliser des outils d'édition de gènes, appelé électroporation, ce qui implique de choquer légèrement les cellules pour les faire s'ouvrir et permettre aux instructions génétiques d'entrer.

Ensuite, les chercheurs ont isolé des cellules souches sanguines avec un marqueur protéique à leur surface appelé CD34. Ces cellules CD34-positives contiennent les cellules progénitrices hématopoïétiques qui donnent naissance à l'ensemble du sang et du système immunitaire.

"Ces cellules reconstituent le sang dans le corps chaque jour, ce qui en fait un bon candidat pour la thérapie génique unique car elle durera toute une vie pendant que les cellules se remplacent, " a dit Adair.

Observer les cellules souches du sang humain dans une boîte de laboratoire, les chercheurs ont découvert que leurs nanoparticules d'or entièrement chargées étaient absorbées naturellement par les cellules dans les six heures suivant leur ajout et dans les 24 à 48 heures, elles pouvaient voir l'édition de gènes se produire. Ils ont observé que le partenaire protéique Cas12a CRISPR était meilleur pour fournir des modifications génétiques très précises aux cellules que le partenaire protéique cas9 plus couramment utilisé.

L'effet d'édition de gènes a atteint un pic huit semaines après que les chercheurs ont injecté les cellules dans des modèles murins; 22 semaines après l'injection, les cellules modifiées étaient toujours là. Les chercheurs de Fred Hutch ont également trouvé des cellules modifiées dans la moelle osseuse, rate et thymus des modèles murins, un signe que les cellules sanguines en division dans ces organes pourraient poursuivre le traitement sans que les souris aient à être traitées à nouveau.

"Nous pensons avoir un bon candidat pour deux maladies - le VIH et les hémoglobinopathies - bien que nous évaluions également d'autres maladies cibles où de petits changements génétiques peuvent avoir un impact important, ainsi que des moyens de faire des changements génétiques plus importants, " Adair a déclaré. " La prochaine étape consiste à augmenter la quantité d'édition de gènes qui se produit dans chaque cellule, ce qui est certainement faisable. Cela la rendra plus proche d'être une thérapie efficace."

Dans l'étude, les chercheurs rapportent que 10 à 20 pour cent des cellules ont subi les modifications génétiques, ce qui est un début prometteur, mais les chercheurs aimeraient viser 50 % ou plus des cellules en cours d'édition, qui, selon eux, auront de bonnes chances de lutter contre ces maladies.