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新突破!同期三篇Nature Medicine:基因疗法治疗遗传病或可实现长期有效

精准医疗使医疗技术获得了飞跃式的发展进步,多项研究成果表明,基于CRISPR/Cas9的基因疗法在遗传病治疗中有很大的应用前景。2017年,Spark公司的创新基因疗法Luxturna获得美国FDA批准上市,用于治疗患有特定遗传性眼疾的成人和儿童患者,为基因疗法研究注入了一剂强心剂。

2月18日,《自然医学》杂志同期发表了三篇基因疗法相关文章,展示了基于CRISPR/Cas9的基因疗法治疗罕见遗传病的突破性研究成果。

在杜氏肌营养不良(DMD)基因治疗长期疗效及安全性研究中,杜克大学的研究人员已经证明,基于CRISPR的基因疗法可以在一年的时间里,安全、稳定地纠正小鼠体内的DMD。研究中也观察到了免疫反应和脱靶效应,但目前的研究结果显示该疗法是安全有效的,后续仍需进行仔细地监测验证研究。接下来,我们重点了解一下这项研究。

该研究由杜克大学Charles Gersbach教授领导完成,其研究团队自2009年起就致力于DMD的基因疗法研究开发。DMD由抗肌萎缩蛋白(Dystrophin)的编码基因突变导致。如果编码抗肌萎缩蛋白的一个或多个外显子发生突变,机体就无法产生抗肌萎缩蛋白,进而导致肌肉缓慢地断裂和退化。基于该机制,Gersbach教授研究团队开发了一种基于CRISPR的基因疗法(AAV为载体)。该疗法是利用CRISPR/Cas9切断抗肌萎缩蛋白外显子周围发生突变的基因,再利用人体的自然DNA修复系统将剩下的基因重新“缝合”在一起,从而产生一个缩短的、具有正常功能的抗肌萎缩蛋白编码基因。

在动物模型试验中,研究团队选用了成年和新出生的DMD小鼠模型。研究人员为DMD小鼠模型实施了单剂量静脉注射的上述基因疗法,并进行了追踪。前8周研究结果显示,小鼠的抗肌萎缩蛋白功能得到恢复,肌肉力量增强,表明该基因疗法确实有效。

此前的DMD治疗研究都集中于抗肌萎缩蛋白的短期恢复,通常在治疗后4-8周进行评估。然而,基因编辑会导致永久性的基因改变,所以探索该基因疗法可能带来其他后果,以及疗效的持久性至关重要。在接下来的一年中,研究人员对注入小鼠体内的CRISPR系统编辑效果进行了检测跟踪。令人惊喜的是,研究结果表明,该疗法不仅成功编辑了小鼠体内的缺陷基因,并使其获得了长期表达抗肌萎缩蛋白的能力所有的老鼠在治疗一年后都表现良好!

除了疗效,基因编辑的脱靶问题也非常惹人关注。为了全面研究该基因疗法产生的所有基因编辑事件,研究团队采用了一种DNA测序方法,该方法可报告任何基因编辑类型。研究发现,除了预期的目标外显子外,还有许多种其他编辑类型,包括来自CRISPR/Cas9系统病毒载体的高水平DNA序列插入。

经过对组织类型和CRISPR输送剂量进行分析,研究人员发现,多达一半的基因编辑会导致这些脱靶效应。虽然该结果令人惊讶,但目前的研究数据显示,这些非预期的DNA序列变化并不会影响该基因疗法对DMD的治疗效果和安全性。虽然如此,研究人员表示,任何非预期的基因编辑结果都有潜在的价值,这些基因编辑事件在未来研究的方法设计、识别和减少脱靶效应中都有重要作用。

图:未治疗DMD小鼠模型(左)和使用该基因疗法治疗一年后的DMD小鼠模型(右)。绿色表示抗肌萎缩蛋白基因表达水平较高,黑斑表示来自小鼠的T细胞响应细菌Cas9蛋白,表明存在免疫反应。

此外,已有研究表明小鼠的免疫系统可对Cas9产生反应,这可能干扰CRISPR的编辑效果。为此,研究团队还监测了小鼠模型对Cas9蛋白产生的所有免疫反应。研究人员在成年小鼠模型中观察到了抗体和T细胞对Cas9的反应,但这些免疫反应似乎都没有在小鼠体内产生任何毒性,且没有影响治疗效果;新出生的小鼠模型则没有类似的免疫反应。同时,研究人员也在开发新的策略来限制Cas9的表达或在短时间内仅将CRISPR/Cas9系统输送到肌肉细胞,以减少可能的免疫反应。

与该研究同期发表的还有另外两篇文章,都是针对早衰综合征(HGPS)的基因治疗展开,文章题目分别为“Development of a CRISPR/Cas9-based therapy for Hutchinson–Gilford progeria syndrome”和“Single-dose CRISPR–Cas9 therapy extends lifespan of mice with Hutchinson–Gilford progeria syndrome”。前一项研究由西班牙和英国科学家合作完成,后一项由美国索尔克生物研究所科学家领导完成。

HGPS是由LMNA基因点突变引起的一种罕见致死性遗传病。该病的患者自童年开始就快速地衰老,目前还没有针对HGPS的有效治疗。已有研究发现,Lamin A蛋白的编码基因LMNA的突变,促使机体产生了孕激素有毒异构体,这是HGPS的主要致病原因。

在西班牙科学家领导的研究中,研究人员探讨了一种基于CRISPR/Cas9基因疗法的有效性,该方法通过在LMNA基因中引入移码突变,阻断Lamin A蛋白和孕激素的积累,来恢复HGPS引起的细胞成分的变化。研究结果显示,该基因疗法可广泛地改善HGPS小鼠的表型,并延长寿命。

在由美国科学家领导的最新研究中,研究人员通过单剂量全身性注射AAV病毒介导的CRISPR/Cas9组分,来降低小鼠模型中的Lamin A蛋白/孕激素水平,以抑制HGPS的发生。研究结果显示,该基因疗法改善了HGPS小鼠的健康状况,并延长了小鼠的寿命。以上两项研究均展示了CRISPR/Cas9在HGPS小鼠模型中的治疗效果,也为在其他目前无法治愈的罕见疾病中使用CRISPR/Cas9开辟了道路。

基因疗法已经引起了各国科学家和跨国制药巨头的关注。2018年12月1日,美国FDA已经接受Editas Medicine公司为EDIT-101递交的IND申请,允许该公司开展使用CRISPR基因编辑手段治疗Leber先天性黑朦10型患者(LCA10)的临床试验。EDIT-101有望成为世界上第一款在人体内使用的CRISPR疗法。此外,还有多项针对艾滋病、血友病、地中海贫血、心血管病、肾病、肺病等疾病的基因疗法研究正在进行,部分已进入临床试验阶段。希望随着科学技术的进步,更多安全有效的基因疗法能够开发出来,为推进科学和人类健康进步贡献力量。

参考资料:

1. Long-term evaluation of AAV-CRISPR genome editing for Duchenne muscular dystrophy

2. Single CRISPR treatment provides long-term benefits in mice

3. Development of a CRISPR/Cas9-based therapy for Hutchinson–Gilford progeria syndrome

4. Single-dose CRISPR–Cas9 therapy extends lifespan of mice with Hutchinson–Gilford progeria syndrome

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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