Nature Biotechnology | 双向导航！基因编辑LNP精准“点穴”肝肺，多器官顽疾不再难治！

生物探索

2025-06-08 15:30发布于江苏科学领域创作者

AI划重点 · 全文约7089字，阅读需21分钟

1.《Nature Biotechnology》上发表了一项关于基因编辑技术的研究，成功开发了Dual SORT LNPs，可同时精准靶向肝脏和肺部。

2.该研究克服了长链基因编辑器mRNA的封装难题，实现了肝脏细胞和肺部AT2细胞的基因校正效率。

3.Dual SORT LNPs在AATD小鼠模型中实现了惊人的效果，肝脏损伤显著逆转，肺泡灌洗液中的功能性A1AT水平显著提升。

4.除此之外，研究团队还发现，Dual SORT LNPs在单次给药时也能提供显著的、协同的肺部保护。

5.目前，这项技术为基因编辑疗法进入多器官复杂疾病治疗领域提供了强大的驱动力。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

如果身体的指令书——基因，出现了微小的错别字，导致了严重的疾病，我们能否像修正代码一样，直接改写生命的蓝图？更进一步，如果这些“错别字”不仅影响一个器官，而是同时攻击肝脏、肺部等多个生命中枢，那该如何应对？

Alpha-1抗胰蛋白酶缺乏症（Alpha-1 Antitrypsin Deficiency, AATD）就是这样一个令人头疼的例子。这种遗传性疾病源于SERPINA1基因的一个特定突变（PiZ allele），它带来了双重打击：一方面，错误折叠的A1AT蛋白在肝脏中堆积成团，像“垃圾”一样不断毒害肝细胞，引发肝炎甚至肝硬化——这是所谓的“毒性增益”；另一方面，肺部又因缺乏这种关键的保护性蛋白，导致弹性蛋白酶肆虐，不断侵蚀肺组织，最终酿成肺气肿——这是致命的“功能缺失”。这种“牵一发而动全身”的多器官病变，让传统治疗手段显得力不从心，肝肺移植虽能救命，却也伴随着长期的并发症和不确定性。

6月2日《Nature Biotechnology》上发表的最新研究“Dual SORT LNPs for multi-organ base editing”，正以前所未有的精度，为攻克这类顽疾带来了曙光。研究人员巧妙地结合了碱基编辑技术（base editing）与双重器官靶向脂质纳米颗粒（Dual Selective ORgan-Targeting lipid nanoparticles, Dual SORT LNPs），如同为基因编辑药物配备了“双向导航系统”，能够同时且精准地将“基因剪刀”送达肝脏和肺部。

这项突破性工作不仅成功解决了长链基因编辑器mRNA的封装难题，更重要的是，他们在AATD小鼠模型中实现了惊人的效果：利用特制的肝脏SORT脂质，肝脏细胞的基因校正效率达到30%-45%，血液中突变蛋白水平大幅降低超过80%，肝脏损伤显著逆转；同时，通过优化的肺部SORT脂质，肺部AT2细胞也实现了有效编辑，肺泡灌洗液中的功能性A1AT水平显著提升，中性粒细胞弹性蛋白酶的抑制活性更是从37%跃升至89%，为肺部提供了前所未有的协同保护。所有这些，都建立在卓越的长期稳定性和安全性之上。

这不仅仅是AATD治疗的重大突破，更是基因编辑领域向复杂多器官疾病发起挑战的里程碑。它预示着，未来医学或许能够以外科手术般的精准度，改写生命深处的“基因错别字”，为无数患者开启全新的健康篇章。

潜伏的“基因炸弹”——AATD的“双面”困境

要理解这项研究的厉害之处，我们首先要认识AATD这个“敌人”。它可不是个简单的角色，而是一个慢性、进行性且极具破坏性的遗传性疾病，其根源在于SERPINA1基因上一个微小的“Z突变”（PiZ allele）。这个突变导致身体无法正常生成或分泌足够的Alpha-1抗胰蛋白酶（Alpha-1 Antitrypsin, A1AT），或者生成了功能异常的A1AT。

这个“Z突变”在体内制造了“双面”困境。

肝脏的“毒性增益”：突变会导致A1AT蛋白在肝脏中错误折叠，形成聚合体并累积在肝细胞内。这就像肝细胞内部堆满了“垃圾”，久而久之会引发肝炎（hepatitis）、肝硬化（cirrhosis），甚至肝功能衰竭。这种现象，我们称之为“毒性增益”（toxic gain-of-function）。想象一下，肝脏这个繁忙的“化工厂”，因为毒性物质的不断堆积而逐渐瘫痪。

肺部的“功能缺失”：正常情况下，A1AT是一种强大的保护性蛋白，在肺部扮演着“守门员”的角色，抑制中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase）的活性。这种酶是人体免疫反应的一部分，但在没有A1AT的制衡下，它会过度活跃，像“脱缰的野马”一样疯狂攻击肺组织，导致肺泡弹性纤维受损，最终引发肺气肿（emphysema）。这就是“功能缺失”（toxic loss-of-function）。

为什么现有治疗捉襟见肘？

目前，AATD的终末期治疗手段主要是肝脏和肺部移植，但这些方法存在长期副作用，如肺功能可能下降，且肺气肿的风险依然存在。更重要的是，肝脏分泌的正常A1AT虽然会进入血液，但只有大约5%到10%能够扩散到肺部上皮衬液（epithelial lining fluid, ELF）中，远不足以提供足够的肺部保护。这意味着，仅仅修正肝脏的基因缺陷，不足以完全解决肺部的功能缺失问题。因此，一个能同时靶向肝脏和肺部的治疗方案，才是真正治本之道。

基因编辑的“精确制导”——碱基编辑的潜力

既然要修正基因错误，那我们该用什么“工具”呢？

传统的CRISPR-Cas9技术虽然强大，但它通过在DNA上制造双链断裂（double-strand breaks）来完成基因编辑，这可能带来脱靶效应（off-target editing）和细胞毒性风险。而针对SERPINA1基因上的“Z突变”，仅仅是一个单碱基的“A”到“G”的替换。在这种情况下，碱基编辑器（base editor, ABE）就成为了理想的“精确制导”武器。

碱基编辑：不破不立的微创手术

碱基编辑技术犹如基因组的“橡皮擦”，它不制造双链断裂，而是通过Cas9蛋白的突变体与一种脱氨酶（deaminase）的融合，直接将目标DNA中的腺嘌呤（adenine, A）转换为鸟嘌呤（guanine, G），或将胞嘧啶（cytosine, C）转换为胸腺嘧啶（thymine, T）。对于PiZ突变，研究团队的目标是将第七位点的腺嘌呤（7A）纠正为鸟嘌呤（7G），从而将疾病相关的赖氨酸（Lys342）纠正为正常的谷氨酸（Glu342）。

“剪刀”的升级与优化

为了让这把“基因剪刀”更锋利、更精准，研究人员进行了一系列精密的优化。

选择最佳脱氨酶组合：他们测试了多种腺嘌呤脱氨酶（adenine deaminase）与Cas9蛋白变体的组合，发现融合了TadA8e的ABE8e-NGC编辑器展现出最高的特异性和效率。实验数据显示，相比其他组合，ABE8e-NGC将编辑效率提高了1.5倍。

优化向导RNA（sgRNA）：sgRNA是引导编辑器到达目标位置的“导航图”。研究发现，19个核苷酸（19-nt）长度的sgSERPINA1比传统的20个核苷酸（20-nt）sgRNA具有更高的校正编辑效率。这意味着更短的“导航图”反而能更准确地找到目标。

安全性考量：经过严格的脱靶效应检测，研究人员确认，所选的ABE8e-NGC和19-nt sgSERPINA1组合在人类基因组中未检测到任何脱靶编辑，这对于未来的临床应用至关重要。

至此，拥有了一把经过精细打磨、高效且安全的“基因剪刀”，准备投入战斗。但问题是，如何将这把“剪刀”准确地送达肝脏和肺部的病变细胞呢？

纳米“快递”的进化——Dual SORT LNPs的诞生

基因编辑技术再强大，如果无法有效递送，也只是“空中楼阁”。脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticles, LNPs）作为当前最先进的RNA疗法递送系统，已经被广泛应用于mRNA疫苗和基因治疗中。但对于AATD这种需要同时精准靶向肝脏和肺部的复杂疾病，传统的LNP面临巨大挑战。

SORT LNPs：器官特异性递送的先驱

Siegwart教授团队在之前的研究中，通过在传统四组分LNP中加入第五种“器官靶向脂质”（SORT lipid），成功开发了选择性器官靶向脂质纳米颗粒（Selective ORgan-Targeting lipid nanoparticles, SORT LNPs）。这种创新让LNP具备了“器官导航”功能，能够将mRNA递送到特定的器官，包括肝脏和肺部。

从SORT LNP到Dual SORT LNP：双重导航的突破

这项新研究则更进一步，旨在开发一种“双重导航”系统——Dual SORT LNPs，即同时利用针对肝脏和肺部的SORT脂质，实现对这两种关键器官的协同靶向。

肝脏SORT LNP的精雕细琢

为了实现对肝脏的优化递送，研究人员筛选了多种肝脏SORT脂质候选物。这些脂质拥有独特的化学结构，能影响LNP的生物分布。

筛选与发现：通过将含有荧光素酶mRNA（Luc mRNA）的肝脏SORT LNP静脉注射到小鼠体内，并在6小时后评估主要器官的荧光素酶活性。结果显示，添加了Cit SORT脂质的肝脏SORT LNP表现出最高的肝脏特异性表达，其荧光素酶表达量比不含SORT脂质的四组分LNP高出惊人的五倍！这表明Cit SORT脂质极大地增强了LNP在肝脏的积累。

效率再提升：进一步的比较显示，Cit SORT LNP比四组分LNP的mRNA递送效率高出1.8倍。

细胞层面验证：优化后的肝脏SORT LNP在小鼠肝脏中实现了对肝细胞（hepatocytes）高达90%的转染效率，比基准的四组分LNP高出20%。要知道，肝细胞是A1AT的主要生产基地，能高效转染它们，意味着AATD治疗的巨大潜力。

肺部SORT LNP的优化升级

对于肺部递送，研究团队也进行了类似的精细调整。

突破性配方：他们对现有DOTAP40配方（一种常用的肺部递送LNP）进行了组分比例的调整，尤其是优化了DMG-PEG的摩尔比。结果令人振奋，低DMG-PEG组的肺部SORT LNP将递送效率提高了1.9倍，显著优于DOTAP40配方。这意味着，通过精细调控LNP表面的PEG化程度，可以显著提升肺部递送效率。

细胞层面验证：优化后的肺部SORT LNP能够高效转染肺部靶细胞，其中对支气管上皮细胞（bronchial epithelial cells，尤其是AT2细胞）的转染效率达到约20%，对单核细胞（monocytes）和巨噬细胞（macrophages）的转染效率达到约17%。这些细胞在A1AT的局部产生和肺部保护中扮演着关键角色。

封装的艺术：长链基因编辑器的挑战与攻克

将信使RNA（mRNA）封装到LNP中，特别是像碱基编辑器mRNA这样长链的分子（约5000个核苷酸），本身就是一项巨大挑战。研究初期发现，ABE mRNA的封装效率不理想，只有大约50%，并且LNP的粒径多分散指数（Polydispersity Index, PDI）较高，这意味着LNP的尺寸不均一，稳定性较差。PDI值低于0.2通常被认为是LNP均匀且稳定的标志。

研究团队通过系统地重新设计LNP的组分比例，特别是在脂质与RNA的重量比以及Cit SORT脂质的含量上进行了大量实验（Design of Experiment, DOE）。

最终，他们筛选出一个名为“配方12”的优化组合。这个配方将ABE mRNA和sgSERPINA1的封装效率提升到了惊人的87%，PDI值也降低到了0.17，粒径稳定在74纳米左右，非常适合肝脏递送。

至此，Dual SORT LNPs的“纳米导航弹”系统已全面升级完毕，它不仅能高效封装长链基因编辑器，还能精准识别并递送至肝脏和肺部的目标细胞。

精准打击与全面修复——AATD小鼠模型的惊艳疗效

理论和体外实验的成功，最终要在体内得到验证。研究团队将目光投向了AATD的“替身”——携带人类PiZ SERPINA1基因的PiZ小鼠模型。这种模型能很好地模拟人类AATD的肝脏毒性和肺部功能缺失。

Dual SORT LNP的“立体打击”方案

PiZ小鼠被静脉注射了“一体式”的Dual SORT LNPs，其中包括肝脏SORT LNP（Cit SORT，剂量1.5 mg kg⁻¹）和肺部SORT LNP（DORI，剂量1 mg kg⁻¹）。在最初的治疗方案中，肝脏SORT LNP仅注射一次，而肺部SORT LNP则每周注射三次，以确保肺部有足够的局部A1AT水平。后续实验进一步优化为单次同时注射肝脏和肺部LNP。

在LNP注射后，小鼠在不同时间点（4周、12周、32周）进行血液和器官样本收集，以评估治疗效果的持久性。

肝脏的“重生”：毒性逆转，功能恢复

Dual SORT LNPs对肝脏的疗效令人惊叹。

高效基因校正：通过肝脏SORT LNP治疗，PiZ小鼠肝脏中的校正编辑效率达到了30%至45%。这比以往报道的同类研究结果提高了1.3倍！更重要的是，这种编辑效果极其持久，在32周后仍保持稳定。研究还显示，脱靶编辑率极低，远低于2%。考虑到PiZ小鼠携带超过5个人类突变SERPINA1基因拷贝，高达40%的编辑率已是巨大成功。即使是人类患者只有一个PiZ拷贝，超过50%的编辑率也足以带来显著益处。

聚合体清除：PAS-D染色显示，肝脏中的Z-A1AT聚合体显著减少，降幅超过80%。这就像肝细胞中的“垃圾”被有效地清理了。

肝损伤修复：H&E染色结果表明，未经治疗的PiZ小鼠肝脏表现出严重的组织病理学改变，而经过Dual SORT LNPs治疗后，肝脏损伤显著减少，组织结构基本恢复正常。

纤维化逆转：Picro-Sirius Red (PSR)染色评估肝脏纤维化程度。在32周后的年老PiZ小鼠中，未经治疗的小鼠肝脏有明显的胶原沉积，而Dual SORT LNPs治疗组的胶原沉积面积减少了四倍。这强有力地证明了Dual SORT LNPs能逆转AATD引起的肝脏纤维化。

血液A1AT水平提升：治疗后，PiZ小鼠血液中功能性人A1AT（野生型A1AT和D341G异构体）水平长期稳定升高，达到约5000 µg ml⁻¹。这比之前的LNP治疗研究报道的1500-2000 µg ml⁻¹高出2-3倍，与肝脏中30%-45%的基因校正率吻合。

突变蛋白显著下降：同时，血液中的突变Z-A1AT水平降低了90%以上。这意味着肝脏不仅开始生产正常的A1AT，还大大减少了有害的突变蛋白。肺部SORT LNP的单独治疗也使血液Z-A1AT水平降低了约20%，提示肺部编辑可能对全身A1AT水平有所贡献。

肺部的“守护”：功能性A1AT的局部补给

肝脏的修复固然重要，但肺部局部A1AT水平的提升，对预防肺气肿至关重要。

肺部局部编辑：通过肺部SORT LNP治疗，PiZ小鼠肺部支气管上皮细胞（包括AT2细胞）的校正编辑效率达到8%至13%，且在12周后仍保持稳定。这项成果尤为关键，因为AT2细胞是肺部A1AT生成的重要来源。

特异性验证：为进一步验证肺部特异性编辑能力，研究人员还用Ttr基因（一种肺部高效编辑靶点）进行了实验，发现支气管上皮细胞的编辑效率达到19%，再次证明了肺部SORT LNPs的有效性。

肺泡灌洗液（BALF）中的A1AT水平提升

未经治疗的小鼠BALF中人A1AT水平极低，低于检测限。

仅用肝脏SORT LNP治疗，BALF中功能性人A1AT水平约为11.5 µg ml⁻¹。

而Dual SORT LNPs治疗组的BALF中功能性人A1AT水平达到13.5 µg ml⁻¹，显示出比单独肝脏治疗更高的A1AT水平。

同时，BALF中的突变Z-A1AT水平在肝脏LNP组中降低到22%，在Dual SORT LNP组中降低到16%，在单独肺部LNP组中降低到52%（相对于未经治疗组的100%）。这表明肺部编辑的确有助于局部清除有害蛋白。

中性粒细胞弹性蛋白酶抑制活性：这是评估肺部保护效果的关键指标。

未经治疗组的弹性蛋白酶抑制活性仅为37%。

肝脏SORT LNP治疗组的抑制活性提升至74%，几乎是未治疗组的两倍。

更令人鼓舞的是，Dual SORT LNPs治疗组的抑制活性进一步提升至80%，展现出额外的保护作用。这其中，肺部SORT LNP的贡献非常显著，它使弹性蛋白酶抑制活性提高了19%。

单次给药的验证：为了模拟临床上更可行的单次给药策略，研究团队进一步优化了Dual SORT LNPs，并进行了一次性同时注射肝脏和肺部LNP的实验。结果显示，肝脏的校正编辑效率达到20%，AT2细胞的校正编辑效率达到10%。更重要的是，肺泡灌洗液中的功能性人A1AT水平从肝脏LNP组的10.5 µg ml⁻¹进一步提升到Dual SORT LNP组的17.1 µg ml⁻¹。相应的，弹性蛋白酶抑制活性从肝脏LNP组的70%提升到Dual SORT LNP组的89%。这意味着，即使是单次给药，Dual SORT LNPs也能提供显著的、协同的肺部保护。

总结而言，Dual SORT LNPs不仅能有效校正肝脏基因缺陷，逆转肝脏病理，还能显著提升肺部局部功能性A1AT水平，并协同抑制中性粒细胞弹性蛋白酶的活性，为肺部提供更全面的保护。

安全性的“通行证”——临床转化之路

任何前沿疗法，安全都是第一要务。研究团队对Dual SORT LNPs的体内安全性进行了严格评估，包括对小鼠的血液生化指标和主要器官的组织病理学检查。

组织病理学检查：对心、肺、肝、脾、肾等主要器官进行H&E染色，未发现明显的器官毒性迹象。特别是PiZ小鼠的肝脏，虽然本身存在Z-A1AT聚合体引起的损伤，但LNP治疗并未加重这些损伤。

血液生化指标：肝功能（AST, ALT）、肾功能（BUN, CREA）等血液生物标志物均在正常范围内，未检测到LNP治疗引起的肝肾毒性。

这些结果为Dual SORT LNPs的临床转化铺平了道路，表明其在有效治疗AATD的同时，具备良好的安全性。

多器官疾病治疗的新纪元

这项关于Dual SORT LNPs治疗AATD的研究，无疑是基因编辑和药物递送领域的里程碑式突破。它不仅为AATD患者带来了前所未有的希望，更展示了多器官靶向基因编辑的巨大潜力。

这项研究的意义何在？

创新性递送平台：Dual SORT LNPs平台解决了将长链基因编辑器mRNA和sgRNA高效、特异性递送至多个关键器官的难题。这种“双重导航”的策略，为其他复杂的多器官遗传性疾病治疗提供了全新的思路。

AATD治疗的里程碑：通过在PiZ小鼠模型中实现肝脏（20%-45%）和肺部AT2细胞（8%-13%）的基因校正，并显著逆转肝脏病理、提升血液和肺泡灌洗液中的功能性A1AT水平、增强弹性蛋白酶抑制活性，Dual SORT LNPs展现了治愈AATD的巨大潜力。特别是单次给药即能实现肝肺协同保护，预示着更便捷的临床应用前景。

持久且安全：肝脏中长达32周的稳定编辑效果，以及良好的安全性数据，是这项技术走向临床的关键“通行证”。

拓展应用前景：这种精准的多器官靶向递送能力，远不止局限于AATD。许多遗传性疾病，如囊性纤维化（cystic fibrosis）等，也涉及多个器官的病变，Dual SORT LNPs的成功，无疑为这些疾病的基因治疗打开了新的大门。

当然，从实验室到临床，仍有挑战需要克服。比如，如何在更大型的动物模型（如雪貂）中验证其疗效和安全性，进一步优化给药方案，以及扩大生产规模等。但可以肯定的是，Dual SORT LNPs的诞生，为基因编辑疗法进入多器官复杂疾病治疗领域，提供了强大的驱动力。

想象一下，未来我们或许不需要经历漫长痛苦的器官移植，只需通过一次或几次精准的纳米“快递”，就能从基因层面修复身体的“缺陷”，让生命重焕生机。这不再是科幻小说，而是研究人员正在努力变为现实的未来。

参考文献

Kim M, Song ES, Chen JC, Chatterjee S, Sun Y, Lee SM, Wu S, Patel P, Tian Z, Kantor A, Wustman BA, Lockhart DJ, Siegwart DJ. Dual SORT LNPs for multi-organ base editing. Nat Biotechnol. 2025 Jun 2. doi: 10.1038/s41587-025-02675-z. Epub ahead of print. PMID: 40457105.

声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！