一个简单的单基因插入,失明小鼠恢复了视力

日期: 2019年03月19日


    

一个简单的单基因插入,失明小鼠恢复了视力

 

最短三年,研究人员说,这种灭活病毒基因治疗可在因视网膜退化而失明的人身上进行,理想情况下,可以给人们足够的视力,四处走动,甚至恢复阅读或观看视频的能力。

 

“把这种病毒注射到人的眼睛里,几个月后,他们就能看到一些东西,”加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学教授Ehud Isacoff说。“视网膜的神经退行性疾病,大多数操作试图做的是停止或减缓进一步退行性变。但在几个月内恢复视觉成像,这是一件令人惊奇的事情。”

 

全世界大约1.7亿人患有年龄相关的黄斑变性。55岁以上的人有十分之一患有黄斑变性,另一方面全球170万人遭受最常见的遗传性失明,即色素性视网膜炎,40岁时告别光明。

 

“我有一些感受不到光的朋友,他们的生活方式让人心痛,”验光学院分子与细胞学教授John Flannery说。“面对常人认为理所当然的事情,例如,去酒店,每个房间的布局都有点不同,他们需要有人在房间周围走动,同时在头脑中构建一个三维地图。任何日常物品,例如一张低脚咖啡桌,都有可能充满危险。同时,负担丧失视力的残疾人群,精力和花费也是巨大的。”

 

目前,这些患者的选择仅限于一种电子眼植入物,这种植入物与一副眼镜上的摄像机相连,这是一种笨拙、有侵入性而且昂贵的装置。在视网膜上呈现的图像相当于几百像素,而正常、清晰的视觉需要数百万像素。

 

矫正视网膜变性的基因缺陷按道理也不是那么容易。仅仅是视网膜色素变性就有250多种不同基因突变,其中大约90%是杀死视网膜感光细胞的“凶手”。除了感光细胞,视网膜细胞的其他层,包括两极细胞和神经节细胞通常在人们完全失明后的几十年里仍可以保持健康,患者就是对光不敏感而已。

 

在小鼠实验中,研究小组成功地使90%的视网膜细胞恢复对光敏感。

 

一个简单的单基因插入,失明小鼠恢复了视力

 

Isacoff和Flannery等人将这项研究成果发表在3月15日的Nature Communications。

 

20年前你就可以这么做了

 

为了逆转小鼠失明,研究人员设计了一种以视网膜神经节细胞为靶标的病毒,并将该病毒的基因加载到一种光敏受体上,即绿色(中波长)视锥蛋白。通常情况下,这种视蛋白只由视锥感光细胞表达,所以这些细胞对黄绿光敏感。病毒将基因携带到神经节细胞中,这些原本对光不敏感的神经节细胞变得对光敏感,并能向大脑发送解释为视觉的信号。

 

“在鼠模型身上我们可以测试注射量的起效极限,”Flannery说。“但转化在病人身上,还有待观察。”

 

在小鼠身上,研究人员能够将视蛋白传递给视网膜上大多数神经节细胞。人眼中含有的神经节细胞是鼠眼的数千倍,为了治疗人类,需要注射更多病毒颗粒。研究小组继续开发了增强病毒传播的方法,并希望可以传递非常高的像素。

 

经过十多年更为复杂的方案改造,Isacoff和Flannery发明了一个可行的简便方法,包括将基因工程化的神经递质受体和光敏化学开关插入存活的视网膜细胞中。然而,方法虽然有效,还是没有达到正常视力的敏感性,需要使用放大镜。

 

为了捕捉高灵敏度的自然视觉,他们转向了光感受器细胞的光受体视蛋白。利用自然感染神经节细胞的腺相关病毒(AAV),将视网膜视蛋白整合入了神经节细胞的基因组,从此,失明的小鼠获得了持续一生的视力。

 

“这个系统非常令人满意,部分原因是它也非常简便,”Isacoff说。“具有讽刺意味的是,20年前你就可以做到这一点。”

 

他们正在筹备资金,以便在三年内将基因疗法转化给人类。类似的AAV输送系统已经被FDA批准用于有退行性视网膜疾病并且没有医疗替代品的眼部疾病患者使用。

 

不可能完成的任务

 

大多数视觉领域的专家都会质疑,转基因视蛋白是否能在除视锥/杆细胞以外的细胞中发挥作用。光感受器的表面装饰着视蛋白,视杆细胞中含有视紫红质,视锥细胞中含有红、绿、蓝视蛋白。这些视蛋白嵌在一个复杂的分子机器中,继电器“G蛋白”耦合受体信号级联,有效地放大信号,我们才能检测到单个光子。一旦检测到光子,一个酶系统给视蛋白充电,然后“漂白”。反馈调节使系统适应截然不同的背景亮度。专门的离子通道产生强大的电压信号。如果不移植整个系统,科学家们有理由怀疑视蛋白不会起作用。

 

但是专门研究神经系统G蛋白耦联受体的Isacoff知道,所有细胞已经具备其中许多部分。他怀疑,视蛋白会自动连接进入视网膜神经节细胞的信号系统。他和Flannery一起先尝试了比视锥细胞对光更敏感的视紫红质。

 

令他们高兴的是,当视紫红质被引入视杆细胞和视锥细胞统统完全退化的小鼠神经节细胞后,动物们从失明又恢复了辨别黑暗和光明(甚至是微弱的室内光线)的能力。但由于视紫红质速度太慢,在图像和物体识别上都失败了。随后他们才尝试了绿色视锥蛋白,其反应速度是视紫红质的10倍。

 

一个简单的单基因插入,失明小鼠恢复了视力

 

治疗后的小鼠能够区分横线和竖线,间隔近的和间隔远的平行线(一项检测人类视觉敏锐度的任务),移动线和静止线等等。恢复后的视觉是如此敏锐,以至于用iPad就可以完成测验,而不需要更亮的LED光源。

 

“这一点非常重要,对盲人来说,重新获得阅读电脑显示器、通过视频交流、观看电影的能力是多么美妙,”Isacoff说。

 

正是这些成果让Isacoff等人想更进一步。看看用这种方法恢复视力的动物能否独自导航。结果是积极的,失明的小鼠重新获得了它们最自然的行为能力:识别和探索三维物体。

 

随后他们又提出了一个问题:如果换成是人,在户外明亮光线下,他们会被过强的光蒙蔽吗?

 

Isacoff说,绿色视蛋白信号通路可以适应亮度变化,这种适应在1000倍左右的范围内有效,基本上就是室内和室外平均照明的差异,动物可以像正常有视力的动物一样完成任务。

 

“当所有人都在说,它绝对不会起作用,你已经疯了的时候,我们相当于第一次做到了在液晶电脑屏幕上恢复了图像视觉,第一次适应环境光变化,第一次恢复了自然物体视觉,”Isacoff说。

 

课题组目前正在测试有关色觉主题变化,进一步提高敏锐度和适应能力。

 

原文检索:Restoration of high-sensitivity and adapting vision with a cone opsin

 

转载标题:一个简单的单基因插入,失明小鼠恢复了视力

 

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