近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒課題組在 CRISPR 基因編輯應用領域取得新突破。相關工作 Enhanced Cytosolic Delivery and Releases of CRISPR/Cas9 by Black Phosphorus Nanosheets for Genome Editing（《用于基因編輯的黑磷增強型 CRISPR/Cas9 運載與釋放系統(tǒng)》）發(fā)表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，DOI: 10.1002/anie.201806941，10.1002/ange.201806941）。論文共同第一作者是博士周文華和研究助理崔浩東，通訊作者是喻學鋒，參與作者還包括帝國理工學院教授 Ying Liming。
近年來，CRISPR/Cas9 系統(tǒng)作為一種源自原核生物獲得性免疫系統(tǒng)的基因定點編輯技術，已被廣泛應用于諸如基因表達調控、基因編輯以及核酸的原位檢測等領域。然而，由于傳統(tǒng)的針對編碼 DNA 的轉運手段存在著易導致靶細胞的插入缺失和過表達，并引起基因變異和脫靶效應等問題，限制了該技術的臨床應用潛力。因此，開發(fā)出一種新的針對 Cas9-sgRNA 核酸 - 蛋白復合體的高效細胞轉運 / 釋放手段將具有重要的科學意義和應用前景。
黑磷因其良好的生物活性和生物相容性，以及其優(yōu)越的光電特性，在生物醫(yī)學領域受到廣泛關注。喻學鋒課題組在之前研究中已成功將黑磷納米材料應用于光聲成像（Small, 2017, 13, 1602896）、腫瘤光熱治療（Nature Communications, 2016, 7, 12967）、腫瘤放射治療（Biomaterials, 2018, 171, 12）、光致形變植入材料（Biomaterials, 2018, 164, 11）以及水凝膠敷料（Advanced Science, 2018, 5, 1700848）等領域�；谶@些前期工作，以及在這些工作中發(fā)現(xiàn)的黑磷降解所引起的細胞內體（endosome）破裂現(xiàn)象，團隊提出黑磷納米片可用于生物活性大分子的細胞轉運和釋放。
在該研究中，課題組以超薄二維黑磷納米片為載體，通過靜電相互作用對攜帶三核定位序列（3xNLS）的 Cas9-sgRNA 復合體實現(xiàn)高效負載，從而構建了一種高效的 CRISPR/Cas9 基因運載體系（圖 1）。該轉運體系主要通過直接破膜和胞吞作用進入細胞內體，進入內體的黑磷載體在酸性環(huán)境下迅速降解為高度生物相容的無機磷酸鹽，從而導致由滲透壓改變所引起的內體破裂，實現(xiàn) Cas9-sgRNA 復合體的高效胞內釋放，并最終由所攜帶的三核定位序列靶向進入細胞核，完成基因編輯的功能（圖 2）。實驗結果顯示，相對于其他納米材料載體，該基于黑磷納米片的 Cas9-sgRNA 復合體轉運體系可在較低濃度下完成對不同細胞株以及動物荷瘤模型的高效基因編輯和基因沉默（圖 3）。這一基于黑磷納米片的高效細胞轉運體系可進一步用于其他生物活性大分子的高效細胞轉運，從而具有重要的醫(yī)學研究和臨床應用價值。相關工作已申請專利（CN108148874A），并依托孵化的中科墨磷科技有限公司（MoPhos.cn），積極推進相關技術的產業(yè)化。
該研究工作得到中科院前沿科學研究重點計劃、國家自然科學基金、深圳市科技計劃國際合作研究、英國利華休姆信托基金等的資助。
圖 1: 基于黑磷納米片的 Cas9-sgRNA 復合體轉運體系細胞內作用示意圖。
圖 2: 基于黑磷納米片的 Cas9-sgRNA 復合體轉運體系的（a）胞質輸運以及核轉運和（b）黑磷納米片在細胞內的降解過程。
圖 3: 基于黑磷納米片的 Cas9-sgRNA 復合體轉運體系：（a）在細胞株 MCF- 7 內實現(xiàn)高效的基因編輯；（b）在細胞株 EGFP/A549 及（c）動物荷瘤模型的 EGFP 位點實現(xiàn)了高效的基因沉默和基因編輯。