CRISPR-Gold có khả năng sửa sai đột biến gây bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne ở chuột

CRISPR-Gold là một phức hợp bao gồm phân tử nano vàng có kích thước 15 nm kết hợp vớimột oligonucleotide-thiol (DNA-Thiol),
có khả năng bắt cặp với DNA sợi đơn dạng thẳng và tạo thành phức hợp với Cas9. Phức hợp này được bao bọc bởi một polymer
có khả năng xâm nhập vào trong tế bào.
Nguồn: Murthy/Conboy/Nature Biomedical Engineering

Các nhà khoa học thuộc Đại học California, Berkeley đã phát triển một kỹ thuật để đưa công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR-Cas9 vào bên trong tế bào, và chứng minh rằng kỹ thuật này có thể sửa chữa đột biến gây bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne trên mô hình chuột. Một nghiên cứu mới chỉ ra rằng khi tiêm CRISPR-Gold vào chuột bị loạn dưỡng cơ Duchenne thì tỉ lệ điều trị trúng đích đạt cao hơn 18 lần, và chuột thử nghiệm tăng gấp đôi sức bền so với chuột đối chứng.

Từ năm 2012, khi Jennifer Doudna, đồng tác giả của nghiên cứu, Giáo sư Sinh học Phân tử Tế bào, Giáo sư Sinh hóa tại Đại học California, Berkeley và đồng nghiệp Emmanuelle Charpentier, thuộc Viện Sinh học Bệnh nhiễm Max Planck, tìm cách sử dụng protein Cas9 như một công cụ chỉnh sửa gene với chi phí thấp, chính xác và tiện dụng, các nhà nghiên cứu hi vọng rằng ngày nào đó liệu pháp điều trị dựa trên CRISPR-Cas9 sẽ tạo một cuộc cách mạng trong việc chữa trị các bệnh di truyền. Sự phát triển các liệu pháp chữa trị bệnh di truyền hiện vẫn là thách thức lớn trong y học bởi vì hầu hết các bệnh di truyền chỉ có thể được chữa trị nếu những đột biến gene gây bệnh được phục hồi về trạng thái bình thường, và điều này là không khả thi đối với các liệu pháp chữa trị thông thường.

Tuy nhiên, CRISPR-Cas9 có thể chỉnh sửa gene đột biến bằng cách cắt đoạn DNA đột biến và kích hoạt cơ chế sửa sai DNA (homology-directed DNA repair). Tuy nhiên, các biện pháp đưa tất cả các thành phần thiết yếu của hệ thống CRISP-Cas9 (Cas9, RNA hướng dẫn, và DNA bổ trợ) vào trong tế bào một cách an toàn cần được nghiên cứu cẩn thận trước khi các liệu pháp chữa trị dựa trên CRISPR-Cas9 được ứng dụng. Một kĩ thuật phổ biến dùng để chuyển CRISPR-Cas9 vào tế bào là sử dụng virus, nhưng kỹ thuật này gặp phải một số vấn đề phát sinh phức tạp trong khi CRISPR-Gold không cần sử dụng virus.

Trong một nghiên cứu được thực hiện bởi các Giáo sư Công nghệ Sinh học Niren Murthy và Irina Conboy tại Berkeley, chứng minh rằng cách tiếp cận mới của họ, CRISPR-Gold, với các phân tử nano vàng là thành phần chính của phức hợp, có khả năng chuyển protein Cas9, RNA hướng dẫn và DNA bổ trợ vào trong tế bào để sửa chữa các đột biến gene.

Murthy phát biểu: “CRISPR-Gold là ví dụ đầu tiên về công cụ vận chuyển tất cả thành phần cần thiết của hệ thống CRISPR cho việc chỉnh sửa các đột biến gene mà không cần dùng đến virus”.

Nghiên cứu này được công bố vào ngày 02/10/2017 trên tạp chí Nature Biomedical Engineering.

CRISPR-Gold sửa sai các đột biến DNA theo cơ chế sửa sai DNA tương đồng. Các nhà khoa học đã thảo luận về việc phát triển liệu pháp dựa trên cơ chế sửa sai DNA tương đồng bởi vì CRISPR cần hoạt động trong cùng một không gian và thời gian khi protein Cas9 và RNA hướng dẫn nhận biết đột biến và DNA bổ trợ giúp sửa đột biến.

Để vượt qua những thách thức này, các nhà khoa học Berkeley đã phát minh một dạng “túi chứa” có thể chứa tất cả các thành phần của hệ thống CRISP/Cas9, sau đó phóng thích chúng khi “túi chứa” ở bên trong tế bào, kích hoạt cơ chế sửa sai DNA. Phân tử nano vàng của CRISPR-Gold bao bọc DNA bổ trợ đồng thời gắn với Cas9. Khi tiêm vào chuột, các tế bào chuột sẽ nhận biết các marker trên CRISPR-Gold và sau đó thu nhận vào ống dẫn truyền. Sau đó, thông qua các cơ chế tế bào, CRISPR-Gold được phóng thích vào màng tế bào và mở vỏ bọc, nhanh chóng phóng thích Cas9 và DNA cho.

Một liều tiêm CRISPR-Gold vào mô cơ của mô hình chuột loạn dưỡng cơ Duchenne đã phục hồi 5,4% gen đột biến gây bệnh trở thành dạng bình thường. Tỉ lệ phục hồi này cao hơn khoảng 18 lần trong chuột xử lí với Cas9 và DNA cho, trước đây tỉ lệ phục hồi chỉ có 0,3%.

Điểm đáng chú ý trong nghiên cứu của tác giả là CRISPR-Gold phục hồi một cách chính xác trình tự dystrophin trở thành bình thường. Điều này là bước cải tiến quan trọng so với các phương pháp đã công bố trước đây chỉ có thể loại bỏ phần gen hư hỏng khiến cho nó trở nên ngắn hơn và chuyển thành bệnh khác hoặc bệnh nhẹ hơn.

CRISPR-Gold có khả năng giảm chứng xơ hóa cơ, dấu hiệu của các bệnh liên quan đến hoạt động chức năng không bình thường của cơ, hơn nữa, CRISPR-Gold còn giúp tăng sức mạnh và khả năng vận động của chuột loạn dưỡng cơ Duchenne. Những con chuột được điều trị bằng CRISPR-Gold cho thấy có sự gia tăng gấp đôi thời gian hoạt động trong thử nghiệm thông thường về sức mạnh và sự nhanh nhẹn của chuột so với chuột đối chứng.

Murthy cho rằng “Những thí nghiệm này cho thấy khả năng phát triển các liệu pháp CRISPR không sử dụng vi rút mà vẫn có thể chỉnh sửa đột biến gen một cách chính xác và an toàn thông qua cơ chế sửa sai DNA tương đồng, chỉ đơn giản phát triển phân tử nano có thể đồng thời bao bọc tất cả các thành phần của CRISPR”.

Nghiên cứu cho thấy phương pháp CRISPR-Gold vận chuyển protein Cas9 an toàn hơn việc sử dụng vi rút để vận chuyển CRISPR, phương pháp sử dụng vi rút có thể gây độc và gây ra các tác dụng không mong muốn của Cas9 do sự biểu hiện liên tục enzyme cắt DNA. Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra khả năng chỉnh sửa gen trong chuột, họ phát hiện CRISPR-Gold chỉnh sửa chính xác đột biến DNA gây ra bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne và giảm thiểu tối đa sự tổn thương DNA.

Các nhà nghiên cứu đã định lượng sự tổn thương DNA không phải mục tiêu của CRISPPR-Gold, kết quả cho thấy mức độ tổn thương gần như độ sai sót trong trình tự DNA thông thường trong tế bào bình thường không xử lí với CRISPR (từ 0,005% đến 0,2%). Để kiểm tra khả năng gây miễn dịch, số liệu cytokine trong máu chuột được phân tích trong 24 giờ và hai tuần sau khi tiêm CRISPR-Gold. CRISPR-Gold không dẫn đến việc tăng cường điều hòa các cytokine trong huyết tương gây phản ứng viêm cấp tính hoặc sụt cân sau nhiều lần tiêm. Điều này chứng tỏ rằng CRISPR-Gold có thể được sử dụng nhiều lần một cách an toàn và là một liệu pháp có tiềm năng cao trong việc chỉnh sửa gen ở mô cơ.

Coonboy phát biểu: “CRISPR-Gold và rộng hơn là phân tử nano CRISPR mở ra một hướng mới cho công cụ chỉnh sửa gen an toàn, kiểm soát chính xác quá trình vận chuyển. Về lâu dài, những kĩ thuật này có thể phát triển thành thuốc mới chữa trị loạn dưỡng cơ Duchenne và các bệnh di truyền khác.”

Một thử nghiệm lâm sàng là việc cần quan tâm để chứng minh liệu CRISPR-Gold có thể là một phương pháp điều trị hiệu quả các bệnh di truyền ở người hay không. Đồng tác giả Kunwoo Lee và Hyo Min Park đã thành lập một công ty khởi nghiệp GenEdit tập trung chuyển giao ứng dụng công nghệ CRISPR-Gold trên người. Phòng thí nghiệm Murthy và Conboy cũng hoạt động trên thế hệ tiếp theo của phân tử có thể vận chuyển CRISPR đến mô theo dòng máu và sẽ tập trung vào mục tiêu các tế bào gốc trưởng thành, các tế bào gốc này là mục tiêu tốt nhất để chữa trị gen vởi vì các tế bào gốc tự thân có khả năng chỉnh sửa gen, tự làm mới và biệt hóa.

Murthy cho biết: “Các bệnh di truyền có thể gây tử vong và phương pháp mới để chữa trị là rất cần thiết. CRISPR-Gold có khả năng chỉnh sửa các bệnh gây ra do đột biến gen in vivo, bằng phương thức vận chuyển protein Cas9, RNA hướng dẫn và DNA cho mà không sử dụng vi rút, và vì thế có tiềm năng để phát triển thành liệu pháp chữa trị cho các bệnh di truyền.”
 Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171003202913.htm