编译丨newborn

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基因治疗(Gene Therapy)是利用 遗传物质 治疗或预防疾病——通常是可能危及生命或致人衰弱且治疗选择有限的罕见遗传性疾病。目的是开发出一种一次性疗法,以纠正疾病的潜在遗传原因。

最早的方法是将遗传物质(如功能性基因)导入 细胞 ,以替换、沉默或操纵特定基因。最近,科学家们也在开发基因编辑技术,包括引入分子工具,在细胞中的精确位置移除或纠正现有的DNA片段。

基因治疗的成功依赖于使用合适的载体将遗传物质安全有效地递送到受影响的细胞中。该载体或可被直接递送至人体由单个细胞吸收,或可在实验室中递送至患者细胞样本然后返回人体。某些病毒由于具有感染细胞的能力,常被用作基因治疗的载体。 一些类型的病毒,如逆转录病毒,将包括新基因在内的遗传物质整合到细胞染色体中。其他病毒,如腺病毒,则将其DNA转移到细胞核中,但不与细胞染色体进行整合。此外,病毒还可将基因编辑工具递送至细胞核内。

迄今为止,已有23种基因和细胞治疗产品获得美国FDA批准,其中包括对神经肌肉疾病、遗传性失明、某些血液癌症等疾病的颠覆性疗法。以下,将讨论基因治疗技术的一些最新创新,这些创新正在为显著扩大这类尖端疗法的影响奠定基础。(by:Alison Halliday博士)

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1、无病毒递送系统

基因治疗面临的一个主要挑战是,如何安全有效地将基因物质递送至细胞内。 虽然使用病毒载体进行基因治疗已经取得成功,但它确实存在风险。 有时病毒会引发危险的免疫反应——此外,整合到细胞基因组中的载体可能会引起错误,从而导致癌症。 因此,研究人员正在开发无病毒递送系统(比如纳米颗粒),在不使用病毒的情况下来递送遗传物质或基因编辑工具,并将其靶向特定细胞。

今年1月,发表于《Cell》上的一项研究中,哈佛大学和麻省理工学院Broad研究所刘如谦(David Liu)研究团队开发出一种新的药物递送系统,使用工程化的无DNA病毒样颗粒(eVLPs),将治疗水平的特定基因编辑蛋白递送至疾病小鼠模型中。该研究团队使用eVLP系统成功编辑了小鼠肝细胞中的Pcsk9基因,该基因与高胆固醇水平相关。

此外,该研究团队还使用单次eVLP注射纠正遗传性失明小鼠模型中的点突变,实现视力部分恢复。这一新平台为基因编辑工具的递送提供了一种有前途的新技术,与病毒载体相比,具有较低的脱靶编辑或DNA整合风险。

其他研究人员最近开发出了基于多肽的材料,作为递送基因疗法的有效载体。发表于《Biomaterials Science》上的一项研究中,爱尔兰国立都柏林大学Sally-Ann Cryan研究团队开发的新平台可以生产定制的星形多肽纳米颗粒,能够有效地将一系列疗法递送到细胞内。

为了展示其潜力,该团队成功地递送了一种基因疗法,促使骨骼再生。在实验室开展的实验中,他们展示了一种加载有可促进骨骼和血管生长DNA分子的可植入支架,能够加速骨组织再生,与未加载DNA分子的支架相比,新骨形成增加了6倍。

2、微调基因表达

一旦基因治疗成功递送至靶细胞内,就很难控制其表达水平。 如果基因或DNA编辑工具的表达水平过高,可能会增加脱靶效应的可能性,过低则可能会导致治疗无效。

在该领域的一项重大进展中,来自费城儿童医院等机构的科学家们开发出了一种“调光开关”系统(“dimmer switch” system)——X on,可以像调节灯光一样控制基因治疗载体表达的蛋白质水平。该递送系统基于一种利用口服小分子药物进行调控的可变RNA剪接(Alte rna tive Splicing,AS)技术,能够在整个机体组织中有效发挥作用。可变RNA剪接允许单一基因编码多种蛋白,这取决于RNA的剪接方式。

使用X on系统,基因治疗载体所运载的“货物”处于无活性状态直到使用口服小分子药物,然后驱动所需的纠正基因剪接成其活性形式。该团队已成功地在小鼠中使用该系统来调节促红细胞生成素(EPO)的水平,这是一种糖蛋白类激素,可用于治疗与慢性肾病相关的贫血。

该团队还展示了,当高水平表达时,X on系统还可以用来控制对大脑有毒的基因产物的表达。这一创新系统为完善和定制基因治疗在人类中的应用提供了前所未有的机会。

3、精准靶向

近年来,工程化设计脂质纳米颗粒(LNPs)作为基因递送系统也取得了显著进展。 然而,静脉递送的含有核酸的LNP主要靶向于肝脏和脾脏,使其治疗应用局限于影响这些器官的疾病。 当前,科学家们正在调查其他方法,将LNP靶向于一系列其他特定组织和器官,以扩大其潜在的临床用途,并将身体其他部位的毒副作用风险降至最低。

来自塔夫茨大学等机构的一个科学家团队已设计出了携带Tsc2基因编码mRNA的LNP,来靶向肺组织。淋巴管平滑肌瘤病(LAM)患者的Tsc2基因存在缺陷,导致平滑肌细胞生长失控,在肺部形成囊肿,导致呼吸困难。在该疾病的小鼠模型中,将携带Tsc2基因正常拷贝的LNP直接递送到肺部,导致囊肿显著减少。通过改变脂质和其他分子的不同成分,研究人员还成功开发了靶向大脑、免疫系统、脾脏、肝脏甚至特定细胞类型的LNP。

LNP对特定免疫细胞的精准靶向,可能有助于改进一类已被批准用于某些血液癌症的基因治疗。这种基因治疗涉及从患者血液中分离出T细胞,导入嵌合抗原受体(CAR)基因,帮助T细胞更好地识别癌细胞。经基因修饰的CAR-T细胞被重新注入患者体内,从而增强机体免疫系统对抗癌症的能力。

在最近发表于《Science》的一项研究中,来自美国宾夕法尼亚大学的科学家们,将编码CAR的修饰mRNA封装在靶向T细胞的LNP中,通过注射这种LNP在体内产生了瞬时CAR-T细胞。这种在体内产生CAR-T细胞的能力,有潜力成为治疗多种疾病的治疗平台。

4、更安全的基因编辑

CRISPR-Cas9是一种基因编辑系统,由2个分子组成: 可以切割DNA两条链的Cas9酶,以及引导其在基因组中正确位置的一段RNA。 然后,细胞识别出DNA受损并试图修复它,从而提供了一种移除、添加或改变基因组片段的方法。 虽然该技术在治疗人类疾病方面具有巨大潜力,但研究人员目前正专注于微调其在临床前研究中的应用。 这项工作的大部分是为了消除“脱靶”效应,因为这种效应可能会意外引入潜在的危险突变。

今年3月发表于《Nature》的一项研究中,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们创造了一种新的Cas9酶——SuperFi-Cas9,这种酶在保持与初始Cas9酶相同编辑效率的同时,靶向错误DNA片段的可能性降低了数千倍,从而使其可能更加安全。

尽管其他实验室之前已经重新设计了Cas9,以减少脱靶相互作用,不过这些版本的Cas9牺牲了编辑速度来提高准确度。但SuperFi-Cas9切割脱靶位点的可能性要低4000倍,而速度却与天然酶一样快。这些结果为设计下一代高保真Cas9变体提供了分子蓝图,在保持编辑效率的同时降低脱靶效应的风险。

5、未来展望

经过几十年的努力,基因药物的未来越来越充满希望。近年来的成功,已促使一些基因治疗获得监管批准,这些治疗正在改变患者的生活,并且还有更多的产品正在研发中。得益于最近的技术进步,科学家们在控制核酸递送和人类基因组精确操纵方面正在实现前所未有的水平,这将解锁激动人心的机会,掀起变革性基因药物的新一轮浪潮。

参考资料:Alison Halliday, PhD:Recent Advances in Gene Therapy