A human cardiomyocyte screen identifies optimized lipid nanoparticles for in vivo cardiac gene editing

转染 基因传递 基因组编辑 遗传增强 杜氏肌营养不良 体内 诱导多能干细胞 报告基因 肌营养不良蛋白 细胞生物学 病毒载体 全身给药 荧光素酶 医学 生物 干细胞 心脏毒性 化学 计算生物学 人的心脏 HEK 293细胞 再生医学 信使核糖核酸 药理学 向性 清脆的 载体(分子生物学) 心脏发育 肌营养不良 生物信息学
作者
Yehui Sun,Yu-Chung Pien,Yufen Xiao,Wei Tan,Efrain Sanchez-Ortiz,Mateusz Z. Durbacz,Zexiang Chen,John McAnally,Yu Zhang,H Li,Andreas C. Chai,Francesco Chemello,Fangyu Zhang,Sang M. Lee,Priyanka Patel,D. Ramirez,Sumanta Chatterjee,Ning Liu,Eric N. Olson,Daniel J. Siegwart
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (21)
标识
DOI:10.1073/pnas.2528477123
摘要

RNA therapeutics offer promising potential for treating heart disease; however, their clinical application has been limited by insufficient cardiac delivery. Here, we developed a screening platform using human induced pluripotent stem cell–derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) to identify human cardiotropic lipid nanoparticles (LNPs). By screening a chemically diverse LNP library, we identified a lead LNP, 18:1 TAP10, with potent human cardiac transfection capability. Using the Ai14 LoxP-Stop-LoxP-tdTomato reporter mouse model, we assessed 18:1 TAP10 LNP delivery of Cre mRNA in vivo via four administration routes (intravenous, intrathoracic, intracoronary, and intramyocardial (IM)) and found that each administration path enabled both the spatial distribution and cellular tropism in the heart to varying degrees. While all routes achieved robust transfection across non-CM populations (up to 40% in endothelial cells), IM injection notably enabled substantial CM transfection (36% at injection site, 13% distally). To demonstrate therapeutic potential, 18:1 TAP10 LNPs were used to deliver adenine base editor (ABE) components to Duchenne muscular dystrophy (DMD) patient-derived hiPSC-CMs, resulting in 80% on-target gene correction and restoration of dystrophin expression. In a humanized DMD mouse model, we observed dystrophin-positive cardiomyocytes in the injected left ventricle following IM administration of LNP-ABE. This work establishes a human cell-based platform for discovering organ-tropic delivery vehicles and highlights LNPs as a potential modality for therapeutic mRNA delivery and gene editing in the heart.
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