Engineered Exosomes for Targeted Delivery of the CRISPR/Cas9 Genome-editor

用于 CRISPR/Cas9 基因组编辑器靶向递送的工程外泌体

基本信息

  • 批准号:
    10383110
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 26.45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-01 至 2024-05-01
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Technical Abstract Genetic mutations have been identified as a causative factor in numerous diseases. The genome editing system CRISPR/Cas9 is a recent development in gene therapy. Both viral and non-viral vectors have been used in attempts to direct delivery of Cas9 to specific locations with advantages and limitations similar to those known for other nucleic acid-based therapeutics. These challenges have limited the current clinical progress of this genome-editing tool. The goal of this project is to develop an effective targeted delivery system for Cas9-mediated genome editing. The investigators take advantage of a novel technology for delivery of plasmid DNA (pDNA) based on bovine milk/colostrum exosomes developed in the PI's laboratory. In this project, we will apply our knowledge and extensive experience in exosomes for efficient targeted delivery of the Cas9-mediated genome- editing tool. To establish feasibility, we have used pDNA to deliver the coding sequences for Cas9-mediated knockout of NFκB as a model gene. This single plasmid, pKO-NFκB, contains the mammalian-optimized Cas9 coding sequence, the single-guide RNA (sgRNA) specific to NFκB, as well as sequences to derive a guide RNA (gRNA) scaffold to assist in the binding of Cas9 to the target DNA. We hypothesize that pKO-NFκB, ionically entrapped in a novel exosome matrix, formulated by complexing exosomes and polycationic polyethyleneimine (PEI), will serve as an effective genome-editing tool of NFκB. Furthermore, use of engineered exosomes, prepared by loading milk lactoferrin (LF) onto exosomes, will target bronchial epithelium overexpressing LF receptors. Thus, LF-EPM-pKO-NFκB administered intranasally (i.n.) will target lung with minimal off-target effects for delivery of this genome-editing tool. Our hypothesis is supported by compelling preliminary data: high loading of nucleic acid onto EPM and protection from degradation, functionalization of exosomes by surface-bound LF loading, inhibition of NFκB expression in H2030 lung cancer cells by LF-EPM delivered pKO-NFκB, overexpression of the LF receptor intelectin (also called omentin) in the mouse lung, and predominant delivery of LF-functionalized exosomes to the mouse lung by intranasal delivery. Investigators experienced in exosomes, drug delivery, and biological sciences will pursue the following specific aims: Aim 1. Optimize targeted delivery of CRISPR/Cas9 genome-editing tool using engineered exosomes in vitro. Aim 2. Determine potential toxicity, and biodistribution and efficacy of engineered exosomes for targeted delivery of CRISPR/Cas9 genome-editing tool. If we are successful in achieving these milestones, we will move to Phase II. Results from this project will provide feasibility data for advancing this genome-editing tool delivery `platform' in a disease model. Cost-effective isolation of exosomes from a biocompatible source, combined with ultracentrifugation- independent methods currently being developed in PI's laboratory, makes the exosomes production a commercial viability as this novel delivery technology advances.
技术摘要 基因突变已被确定为许多疾病的致病因素。 CRISPR/Cas9系统是基因治疗领域的最新发展,病毒和非病毒载体均已被使用。 尝试将 Cas9 直接递送到特定位置,具有与已知的优点和类似的局限性 对于其他基于核酸的疗法来说,这些挑战限制了其当前的临床进展。 该项目的目标是开发一种有效的 Cas9 介导的靶向递送系统。 研究人员利用一种新技术来传递质粒 DNA (pDNA)。 基于 PI 实验室开发的牛乳/初乳外泌体,我们将在这个项目中应用我们的技术。 外泌体方面的知识和丰富的经验,可有效靶向递送 Cas9 介导的基因组 为了建立可行性,我们使用 pDNA 来提供 Cas9 介导的编码序列。 敲除 NFκB 作为模型基因。这个单一质粒 pKO-NFκB 包含哺乳动物优化的 Cas9。 编码序列、NFκB 特异性的单向导 RNA (sgRNA) 以及衍生向导 RNA 的序列 (gRNA) 支架协助 Cas9 与靶 DNA 的结合 我们以离子方式追踪 pKO-NFκB。 包裹在一种新型外泌体基质中,该基质由外泌体和聚阳离子聚乙烯亚胺复合而成 (PEI),将作为 NFκB 的有效基因组编辑工具。此外,使用工程外泌体, 通过将牛奶乳铁蛋白(LF)加载到外泌体上制备,将靶向过度表达 LF 的支气管上皮 因此,鼻内 (i.n.) 施用的 LF-EPM-pKO-NFκB 将靶向肺部,且脱靶效应最小。 我们的假设得到了令人信服的初步数据的支持:高负载。 将核酸转移到 EPM 上并防止外泌体降解,通过表面结合 LF 实现外泌体功能化 LF-EPM 递送的 pKO-NFκB 负载、抑制 H2030 肺癌细胞中 NFκB 的表达, 小鼠肺中 LF 受体肠蛋白(也称为网膜蛋白)的过度表达,以及主要的递送 通过鼻内递送将 LF 功能化的外泌体输送至小鼠肺部,具有外泌体经验的研究人员, 药物递送和生物科学将追求以下具体目标: 目标 1. 优化靶向递送 使用体外工程外泌体开发 CRISPR/Cas9 基因组编辑工具。目标 2. 确定潜力。 用于 CRISPR/Cas9 靶向递送的工程化外泌体的毒性、生物分布和功效 如果我们成功实现这些里程碑,我们将进入第二阶段的结果。 该项目将为在疾病中推进基因组编辑工具交付“平台”提供可行性数据 结合超速离心从生物相容性来源中经济高效地分离外泌体 PI 实验室目前正在开发的独立方法使外泌体生产商业化 随着这种新颖的递送技术的进步,它的可行性。

项目成果

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