作者:黄辛 卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/12 20:47:42
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基因治疗化身“光明使者”

 蔡宇伽(左一)带领团队成员做实验 上海交通大学系统生物医学研究院供图

单纯疱疹病毒(HSV)是对人类最“情有独钟”的病原体,其唯一的自然宿主就是人类,并且在人群中的感染极为普遍。但人类至今尚未摆脱HSV的“围追堵截”,既无疫苗,也无特效药物。

日前,上海交通大学系统生物医学研究院教授蔡宇伽和复旦大学附属眼耳鼻喉科医院副主任医师洪佳旭通力合作,研发出“HELP”新型抗病毒技术,以mRNA的形式递送基因编辑工具CRISPR/Cas9,直接靶向疱疹病毒的基因组,使病毒在体内降解,从而达到治疗病毒性角膜炎的目的。相关研究成果2021年1月12日在线发表在《自然—生物技术》上。

治标不治本的尴尬

根据抗原特性不同,HSV可分为HSV—1和HSV—2两种血清型。HSV—1的感染可引起多种疾病,人类眼角膜被HSV—1感染,会引起疱疹性基质性角膜炎(HSK)。HSK也是导致感染性失明的首要原因。

部分病毒性角膜炎患者能通过接受角膜移植重获光明,但危机并未解除。HSV—1在角膜上皮原发性感染并生产复制后,会通过眼神经“逆行”到达三叉神经节。在那里,它们建立了一个“仓库”,储存病毒。一旦人体出现免疫力下降等情况,病毒库就会被激活,疾病便会复发和恶化。在全球范围内,预计每年有150万例患者角膜HSV复发,超4万人因此失明。

而传统治疗单纯疱疹病毒感染的小分子药物,如阿昔洛韦等,仅能通过干扰DNA的复制发挥抑制病毒的作用,暂时抑制疱疹病毒复制,并不能从人体内清除病毒基因组。

失而复得,得而复失。如何在保证安全的基础上,直接降解病毒的基因组,甚至从根源上销毁病毒库,成为亟待解决的问题。

蔡宇伽一直试图解决这一难题。他告诉《中国科学报》,随着生物技术的发展,越来越多的技术运用到疾病的治疗中,当时有一个想法蹦入脑海,能否利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在动物模型上治愈病毒性角膜炎?

CRISPR/Cas9是一种大分子复合物,含有一种能够切割靶基因组序列双链的核酸酶(Cas9),能够在体内进行基因操作。蔡宇伽希望CRISPR/Cas9敲除HSV病毒基因,从而达到治疗的目的。

想法很美,但技术上如何实现,却让蔡宇伽犯了难。“由于CRISPR/Cas9 ‘体型’较大,很难将其直接递送到细胞核中,所以还需要高效且瞬时的递送技术,将工具准确地引导至作用靶点,以确保治疗的安全性和有效性。” 蔡宇伽说。

直到2019年,在一场学术论坛上,他结识了眼科临床医生洪佳旭。两人一拍即合,聚焦眼部器官病毒性角膜炎的无法治愈性和疾病与技术的适配性,并展开科研攻关。

寻找优秀“快递员”

目前,相较于CRISPR/Cas9的快速迭代升级,递送技术的发展却极其缓慢、困难。如何将这些工具更好地递送进入病灶内,并降低这些工具在细胞中产生的长期风险,成为基因治疗领域日益凸显的挑战。

研究团队以此为核心问题,通过基因编辑和递送技术的融合,发明了全球首创的原创性基因治疗递送载体——类病毒体—mRNA。“这就像给快递包裹加上了一双脚,让CRISPR/Cas9和递送技术合二为一,赋予其自动走到目标靶点的能力。” 蔡宇伽说。

作为一种慢病毒载体的衍生技术,类病毒体—mRNA可以高效感染几乎所有类型的细胞,而其中的非病毒成分mRNA又具备瞬时性特点。该技术解决了基因编辑体细胞治疗最大的技术瓶颈——递送技术。

利用该递送技术,蔡宇伽和洪佳旭研究团队进行了CRISPR基因编辑治疗病毒性角膜炎的临床前研究,在急性和复发感染的小鼠模型中实现了从角膜到三叉神经节的逆行运输,终于将潜藏在神经节的HSV—1病毒库清除。

“不仅解决了传统递送平台存在的尺寸限制,且将基因编辑工具的表达载体由长期存在的DNA替换成了瞬时表达的mRNA,极大提高了工具使用的灵活性和安全性。”阿斯利康(瑞典)基因治疗项目高级科学家李松沅总结道。

研究团队将这项技术命名为“HELP”,即“帮助”,期待这种全新的抗病毒疗法能够帮助难治性病毒性角膜炎患者,为患者带来重获光明的机会。

HELP创新性地将病毒颗粒和基因编辑工具的递送结合起来,以mRNA的形式完成CRISPR/Cas9的工具递送,使基因编辑酶Cas9在体内的停留时间很短,在病毒性角膜性的动物模型中实现了有效且安全的基因编辑。蔡宇伽表示,该技术有两大特点,一是靶向病毒的基因组,不改变人的基因,安全性好;二是瞬时性基因编辑,可以最大限度减少脱靶风险,并避免免疫反应。

有望实现HPV感染等的治疗

为了证明HELP的抗病毒效果,研究团队采用预防型、治疗型和复发型三种不同的小鼠感染模型,发现在三种不同的HSV感染模型上,HSV—1的复制均得到有效阻止,防止HSK的发生。此外,研究团队利用捐献者角膜也观察到该技术可以有效清除HSV—1病毒。

作为我国基因治疗方面的原创性抗病毒新技术,HELP从细胞水平研究到动物水平研究,再到捐献者角膜研究,都实现了步骤完备、论证可靠的临床前研究。

洪佳旭表示,HELP可以清除三叉神经节内潜伏的病毒,这在病毒性角膜炎的疗法研究上尚属首次。从原理上讲,阿昔洛韦及其类似物是治的是“标”,HELP技术治的是“本”。

“将基因编辑运用于单疱病毒性角膜炎的治疗是‘从0到1’的创新突破。”中山大学中山眼科中心副主任袁进表示,该研究证实,在单疱病毒性角膜炎动物模型上通过基因编辑可抑制HSV病毒的转运和复制,有望成为一种病毒性角膜炎的全新疗法,解决病毒性角膜炎复发这一临床难题。

目前,在复旦大学附属眼耳鼻喉科医院伦理委员会的论证及许可下,洪佳旭团队正在主持开展基于本项技术的初期可控的临床应用研究。未来或将应用拓展至其他遗传性眼科疾病的治疗上。

他表示,虽然目前HBV、HPV等病毒有疫苗可用,但人类一旦感染仍然没有特效药物。在不远的将来,HELP技术也可用于治疗这些难对付的人类病毒引起的感染,打通基因编辑体内治疗的最后一公里。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-020-00781-8

 
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