Cell | 深圳先進(jìn)院等攻克長基因遞送難題 基因治療有了新策略
世界范圍內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)超過7000種罕見病。這類疾病大多由基因突變引發(fā)且缺乏有效治療手段,構(gòu)成人類醫(yī)學(xué)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。近年來,基因治療作為一種新型治療技術(shù),通過修復(fù)、替換或抑制致病基因等方法,為治療罕見病等遺傳性疾病提供了新希望。
北京時間1月28日,一項發(fā)表于《細(xì)胞》的最新研究,首次提出了一種名為“AAVLINK”的新型基因治療策略,研究團(tuán)隊成功攻克了基因治療領(lǐng)域利用AAV(腺相關(guān)病毒載體)高效遞送長基因的難題,有望顯著推動針對孤獨癥、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病和其他遺傳病的基因治療技術(shù)的臨床應(yīng)用。
美國國家科學(xué)院院士、美國麻省理工學(xué)院講席教授馮國平對該成果評價道:“基因治療是疾病干預(yù)方法開發(fā)的重要前沿方向,而使用遞送載體如AAV等,實現(xiàn)治療基因的高效遞送是基因治療的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。該研究開發(fā)的AAVLINK技術(shù)實現(xiàn)了將最長超過11kb的完整功能基因載荷高效遞送至靶細(xì)胞,突破了長基因遞送的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,為基因治療的基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究提供了重要的創(chuàng)新技術(shù)?!?
該研究由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進(jìn)院”)和北京大學(xué)第一醫(yī)院合作完成。深圳先進(jìn)院醫(yī)工所、醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院路中華研究員,北京大學(xué)第一醫(yī)院兒童醫(yī)學(xué)中心姜玉武教授,深圳先進(jìn)院醫(yī)工所劉太安副研究員是論文共同通訊作者。中國科學(xué)院大學(xué)博士生林劍邦、林韻萍,北京大學(xué)第一醫(yī)院兒童醫(yī)學(xué)中心劉娜娜博士為論文共同第一作者。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。
攻克長基因治療遞送難題
基因治療主要通過特定載體將治療性基因“送”到目標(biāo)細(xì)胞中,從而修復(fù)基因缺陷或異常。這種治療方法突破了傳統(tǒng)藥物的局限性,實現(xiàn)對多種疾病精準(zhǔn)治療,有望從根本上治愈疾病。
基因進(jìn)入細(xì)胞需要借助載體,就像小車運送貨物一樣,AAV因其安全性高、不易引起免疫反應(yīng),被認(rèn)為是理想的“基因快遞車”?!暗獳AV這輛小車的運載容量有限,最多只能遞送的基因組長度是4.7kb,也就是約4700個堿基對,眾多與孤獨癥、癲癇相關(guān)的致病基因超過了這一容量,嚴(yán)重限制了這些疾病基因治療技術(shù)的開發(fā)?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑸钲谙冗M(jìn)院副研究員劉太安解釋。
此外,現(xiàn)有雙AAV運輸策略的重組效率低,易產(chǎn)生無效或有害的截斷蛋白等問題,難以實現(xiàn)安全高效的治療效果。
2020年,路中華團(tuán)隊聯(lián)合姜玉武團(tuán)隊圍繞這一痛點難題展開攻關(guān)。他們提出了一種名為“ AAVLINK”的新方法。該方法將長基因分成兩段,分別裝進(jìn)兩個AAV中,一個AAV攜帶的基因片段裝上特殊的“分子魔術(shù)貼”—lox位點,另一個AAV除了攜帶另一半基因片段、lox位點外,還攜帶Cre重組酶基因。兩個裝載著基因的AAV載體進(jìn)入細(xì)胞后,Cre重組酶會精準(zhǔn)識別“魔術(shù)貼”,使拆分的兩段基因精準(zhǔn)重組,使其表達(dá)出完整的功能。
此外,團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了該技術(shù)的2.0版本,實現(xiàn)了Cre重組酶的瞬時表達(dá)與及時清除,解決了潛在的基因重排和免疫反應(yīng)等生物安全問題,提升了該技術(shù)臨床應(yīng)用的安全性。
構(gòu)建通用工具庫,助力基因治療研究與轉(zhuǎn)化
研究結(jié)果表明,該項技術(shù)在多種細(xì)胞中能夠高效重構(gòu)大片段基因,且不產(chǎn)生截斷蛋白,重組效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。在動物模型體內(nèi)驗證中,該技術(shù)成功重構(gòu)并恢復(fù)了孤獨癥致病基因Shank3和癲癇致病基因SCN1A的完整功能,有效改善了相關(guān)模型小鼠的行為和癲癇表型。
盡管在動物疾病模型中取得了優(yōu)異的干預(yù)效果,研究團(tuán)隊并沒有止步于此?!霸S多疾病的致病基因都超出了單個AAV的遞送上限,我們應(yīng)該將AAVLINK應(yīng)用到更多的疾病上。”劉太安說道。
為此,研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了一個AAV長基因遞送載體工具庫。他們系統(tǒng)篩選了193個長度超過4kb的人類致病長基因,涵蓋孤獨癥、癲癇、杜氏肌營養(yǎng)不良、遺傳性耳聾、視網(wǎng)膜病變等疾病,實現(xiàn)了超過11kb的基因載荷的高效重組遞送;此外,數(shù)據(jù)庫還整合了5種基因編輯工具,為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了參考。
值得一提的是,研究團(tuán)隊對庫中每一個長基因的拆分與重組效率都進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗驗證?!盎谶@一高效遞送工具平臺,未來,相關(guān)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊可以把研究精力集中在疾病機(jī)制探索和治療方案優(yōu)化等其他核心問題上?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、深圳先進(jìn)院研究員路中華介紹,目前該平臺(http://AAVLINK.com)已開放使用,在基因治療相關(guān)的基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域引起了強(qiáng)烈反響。
審稿人對該研究評價道,AAVLINK技術(shù)突破了包裝容量瓶頸,為相關(guān)領(lǐng)域的研究和轉(zhuǎn)化提供了重要創(chuàng)新技術(shù),對長基因遞送意義重大。
從臨床中來,到臨床中去
這項歷時五年的研究,不僅是實驗室技術(shù)攻關(guān)的成果,更是科學(xué)前沿與一線臨床緊密結(jié)合的典型案例。在合作過程中,醫(yī)生走進(jìn)實驗室,研究人員走進(jìn)醫(yī)院,了解前沿研究進(jìn)展以及一線的臨床需求,形成了科學(xué)問題“從臨床中來,到臨床中去”的科研模式。
“在工作中,我們經(jīng)常面對一些非常疑難的癲癇患病兒童,他們癲癇發(fā)作時很難用藥物控制,經(jīng)常伴有嚴(yán)重腦功能和發(fā)育障礙,目前所有治療藥物都是針對發(fā)作癥狀的對癥治療,不能解決根本問題,而且大量藥物可能帶來不少不良反應(yīng)。這些癲癇之所以難治,就是因為沒有針對病因的治療手段,因此該技術(shù)有望為兒童癲癇治療帶來創(chuàng)新性根治方案,為廣大患者帶來新的希望?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒈本┐髮W(xué)第一醫(yī)院教授姜玉武說道。
一直以來,路中華團(tuán)隊聚焦于制備非人靈長類和嚙齒類腦疾病動物模型,解析腦疾病的發(fā)病機(jī)理,并發(fā)展腦疾病基因治療干預(yù)策略。在他看來,科學(xué)研究不能僅僅停留在實驗室里,更要緊密關(guān)注臨床需求,將前沿科學(xué)真正轉(zhuǎn)化為惠及患者的治療方案。
路中華指出,該研究開發(fā)的高效、易擴(kuò)展的長基因AAV遞送策略,是迄今為止針對基因治療領(lǐng)域長基因遞送這一重要挑戰(zhàn)提出的最為安全高效的解決方案之一,有望顯著推動孤獨癥、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病及其他遺傳病的基因治療技術(shù)的臨床應(yīng)用。
未來,研究團(tuán)隊還將進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)在全身的遞送效率,深入機(jī)制研究,建立相關(guān)的疾病預(yù)測模型,開展該技術(shù)在靈長類動物模型的系統(tǒng)驗證和臨床前研究,推動該技術(shù)的轉(zhuǎn)化落地。

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論文鏈接:https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01488-6

AAVLINK的工作原理及應(yīng)用
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