CRISPR-Cas9体系作为当前最热门的基因编辑工具，在癌症等重大疾病的治疗方面具有巨大的应用前景。然而，CRISPR-Cas9体系本身具有脱靶效应，如何利用CRISPR-Cas9体系进行精准治疗仍然是一大难题。 目前基于CRISPR-Cas9的治疗技术主要是通过靶向递送来实现的，一般是以病毒作为载体，而这些病毒载体可能会引发宿主细胞内部基因突变，导致细胞癌化，因此在临床的应用存在一定的风险。近年来，一些非病毒载体的也被开发并被用于CRISPR-Cas9体系中，但基于非病毒载体的实现可控的基因编辑的研究仍鲜有报道。
宋玉君教授课题组致力于开发高效的CRISPR-Cas9载体，希望能从空间和时间上对体内基因组编辑进行精确控制。他们在上转换纳米粒子（UCNPs）和Cas9之间添加了一把近红外（NIR）响应的“光锁”，设计出了一种的远程操纵的基因编辑技术。具体来说，该系统利用光敏分子将CRISPR-Cas9体系共价“锁”在UCNPs上，并且修饰上一层高分子材料后，该复合纳米粒子可被细胞大量内吞。之后，在近红外光照射下，UCNPs可发射出紫外光，打开Cas9蛋白和上转换纳米粒子之间的“锁”，从而释放出蛋白，使蛋白得以进入细胞核，实现基因剪切（如下图）。由于红外光的强组织穿透性，因此，该技术有望在深层组织中实现CRISPR-Cas9基因编辑的精确调控。


这种远程操纵的基因编辑系统在细胞中和体内的皆表现出优异的近红外光响应的基因剪切能力。当CRISPR-Cas9靶向到一段肿瘤癌基因（Plk-1）后，可在红外光的调控下，对靶点基因实现敲除，从而诱发肿瘤细胞凋亡。该团队从基因，蛋白及细胞等多各个角度对该体系的有效性进行了验证。此外，这一系统在小鼠活体上的近红外光响应的能力也成功得到了验证。在对荷瘤小鼠进行治疗的过程中发现，只有近红外光照射实验组的肿瘤得到了有效抑制，且从20天后取下肿瘤大小来看，实验组肿瘤远远小于对照组。
这项技术利用外界光照这种无创的外部手段，实现了目标部位基因编辑，显著提高了基因编辑的靶向性。由于近红外光有效的组织穿透性，为该技术为在深层组织中的应用提供了潜在的可能。总之，这种远程操纵的基因编辑技术打开了时空调控基因编辑的大门，为基因编辑技术在疾病治疗方面的应用提供了新的思路。
相关工作发表于Science Advances ( DOI: 10.1126/sciadv.aav7199), 南京大学为第一通讯单位，硕士生潘永春为本论文的第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院宋玉君教授为通讯作者，厦门大学林友辉副教授和南京工业大学王玉珍副研究员为共同通讯作者，该项研究得到国家自然科学基金，江苏省自然科学基金和江苏省双创人才等项目的资助。
（现代工程与应用科学学院 科学技术处）