Brain Nucleic Acid Delivery and Genome Editing via Focused Ultrasound-Mediated Blood–Brain Barrier Opening and Long-Circulating Nanoparticles

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作者
Gijung Kwak,Angad Grewal,Hasan Slika,Griffin Mess,Haolin Li,Mohit Kwatra,Alexandros Poulopoulos,Graeme F. Woodworth,Charles G. Eberhart,Han Seok Ko,Amir Manbachi,Justin M. Caplan,Richard J. Price,Betty Tyler,Jung Soo Suk
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c05270
摘要

We introduce a two-pronged strategy comprising focused ultrasound (FUS)-mediated blood–brain barrier (BBB) opening and long-circulating biodegradable nanoparticles (NPs) for systemic delivery of nucleic acids to the brain. Biodegradable poly(β-amino ester) polymer-based NPs were engineered to stably package various types of nucleic acid payloads and enable prolonged systemic circulation while retaining excellent serum stability. FUS was applied to a predetermined coordinate within the brain to transiently open the BBB, thereby allowing the systemically administered long-circulating NPs to traverse the BBB and accumulate in the FUS-treated brain region, where plasmid DNA or mRNA payloads produced reporter proteins in astrocytes and neurons. In contrast, poorly circulating and/or serum-unstable NPs, including the lipid NP analogous to a platform used in clinic, were unable to provide efficient nucleic acid delivery to the brain regardless of the BBB-opening FUS. The marriage of FUS-mediated BBB opening and the long-circulating NPs engineered to copackage mRNA encoding CRISPR-associated protein 9 and single-guide RNA resulted in genome editing in astrocytes and neurons precisely in the FUS-treated brain region. The combined delivery strategy provides a versatile means to achieve efficient and site-specific therapeutic nucleic acid delivery to and genome editing in the brain via a systemic route.
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