基因治疗常用载体有哪些?AAV基因治疗前景如何?
基因治疗是一项前沿的医学技术,在多年的发展中,已经取得了许多重要的进展。然而,在现有的基因治疗技术中,仍然存在一些挑战和限制,例如短暂性的表达、免疫反应和安全性问题等。而AAV基因治疗正是针对这些问题而发展的一种新兴技术,它的出现有望重新定义基因疗法的未来。
基因治疗(Gene Therapy)是指将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病,从而达到治疗疾病的目的。一直以来,传统大/小分子药物主要针对蛋白靶点发挥作用,这也使得其适应症有限,特别对于基因因素占据主要发病原因的遗传性疾病,无法有效发挥治疗效果。而这类基因相关疾病的患病人群其实并不小,例如罕见病,全球患者已高达3.5个亿,而80%的罕见病是单基因遗传病。
治疗方式 |
研发难度 |
成功率 |
靶点范围 |
半衰期 |
特异性 |
基因治疗 |
低 |
高 |
较多 |
长 |
高 |
小分子药 |
高 |
低 |
较多 |
短 |
低 |
大分子药 |
高 |
高 |
较少 |
中 |
高 |
表1 几种治疗方式的对比
对于这些基因性疾病,目前的治疗方式有限,基本都是从改善症状的角度进行治疗,即治标不治本,患者的病症仍会不断进展并严重影响生活质量,甚至最终导致死亡。在此背景下,基因治疗应运而生,其可从根本病因上来治疗疾病,虽然基因治疗在20年前就有相关的临床应用案例,但其真正得到广泛研究和临床试验是从近几年开始。
基因治疗常用载体
基因载体,又称基因逆送载体,是将外源目的基因(或治疗性基因)导入宿主细胞进行表达,以研究基因功能或治疗疾病的工具,主要应用于细胞与基因治疗(Cell and Gene Therapy, CGT)、生物科研、生物制药、转基因食品等领域。
基因治疗通常可分为在体基因治疗和离体基因治疗。其中,在体治疗主要是将带有治疗基因的非病毒或病毒载体,如常用的腺相关病毒(Adeno-Associated Virus,AAV),直接递送到患者体内;而离体治疗则是在体外将治疗基因导入患者的细胞(常使用慢病毒LV),扩增后回输至患者体内。相比于离体治疗,在体治疗的方式对基因递送工具——即载体的要求更高。
在体基因治疗和离体基因治疗[1]
基因递送工具的选择是基因治疗中关键的一环,药物最终在人体发挥药效,很大程度取决于稳定、高效的递送系统。目前,基因治疗常用的载体包括病毒载体和非病毒载体,其中病毒载体由于其宿主范围广,作用时间长,在基因治疗研究中应用越来越广泛,可以进行编码基因或非编码基因的过表达、干扰、敲除和内源性激活等操作。
基因载体分类
目前病毒载体中,常用的是AAV、AD、RV和LV四种,其中AAV因其具有较好的组织特异性、低免疫原性及高安全性,是目前在体基因治疗应用最广泛的递送载体。
项目 |
腺相关病毒(AAV) |
腺病毒(Ad) |
慢病毒(LV) |
逆转录病毒(RV) |
包膜 |
无 |
无 |
有 |
有 |
颗粒直径 |
18-26nm |
60-90nm |
80-130lnm |
80-130nm |
外源序列容量 |
<5kb |
8kb |
8-9kb |
8kb |
基因组 |
单链DNA |
双链DNA |
单链RNA |
单链RNA |
免疫原性 |
极低 |
高 |
中等 |
中等 |
安全性 |
高 |
低,系统给药可导致全身炎症反应,有致死病例 |
低,存在插入性致瘤风险 |
极低,存在插入性致瘤风险 |
宿主种类 |
非分裂细胞为主 |
分裂/非分裂细胞 |
分裂/非分裂细胞 |
分裂细胞 |
转导效率 |
高 |
高 |
高 |
中等 |
表达起始时间 |
体内7-14天开始表达,高峰期3-4周 |
1-2天开始表达 |
2-4天开始表达 |
2-3天开始表达 |
表达持续时间 |
>6个月/10年以上,不分裂细胞长期 |
2-4周 |
>2个月 |
>2个月 |
整合方式 |
定向低频整合(rAAV不整合) |
不整合 |
随机高频整合 |
随机整合 |
表2 常用工具病毒特征对比病毒载体各类指标对比
腺相关病毒(AAV)
腺相关病毒(Adeno-Associated Virus)是一种无法自主复制、无包膜单链DNA病毒。具有以下几种优点:
安全性高:AAV病毒在人体繁殖的过程中不会导致疾病,且对人体产生的免疫反应较小,因此AAV基因治疗的安全性更高。
表达时间长:AAV病毒携带的基因可以在人体细胞内表达数年,从而实现长期治疗的目的。
应用范围广:AAV基因治疗可以用于改善和治疗多种不同类型的遗传性疾病。
目前,基因治疗临床试验采用的主要为重组腺相关病毒载体(rAAv)。它由非致病的野生型AAV基础上改造而成,只保留了两个反向末端重复序列(ITRs)将原基因组替换为目的基因,最大化携带目的基因的容量,并降低其免疫原性和细胞毒性。
野生型与重组型AAV基因组结构示意图[2]
纯化后的AAV病毒载体可以用于感染细胞,感染细胞时,AAV衣壳蛋白与细胞表面特异性受体结合,激活胞内信号通路,进而触发AAV通过受体介导的内吞作用进入细胞,在核内体、高尔基体等细胞器的协助下进入细胞核,而衣壳蛋白会被蛋白酶体降解。
AAV病毒载体一旦进入细胞核,就会脱壳并释放其单链基因组,并将其转化为双链DNA模板,在双链DNA模板上进行转基因的转录和翻译,从而实现目的基因的表达。
AAV载体转录过程
(图片来源:Uresearch:全球CGT基因载体行业市场研究报告(2022-2026))
AAV感染宿主细胞过程[3]
不同血消型的AAV具有不同的组织靶向特异性,目前已发现AAV有13种亚型近200多种变型,并逐步用于基因药物研发。AAV进入细胞的过程依赖于细胞表面糖基化受体识别AAV衣壳蛋白,因此AAV衣壳蛋白决定了其组织靶向的特异性。通过修饰、突变AAV的衣壳蛋白序列产生新的组织倾向性的AAV血清型,目前已发现AAV有13种天然血清亚型(AAV1-13),近200多种变型,每一种具有不同的组织趋向性,可靶向不同的组织。目前临床常用的有AAV2、AAV5、AAV8和AAV9等。
血清型 |
组织亲和性 |
AAV1 |
肌肉、心脏、骨骼肌(包括心肌)、神经组织 |
AAV2 |
中枢神经、肌肉、肝脏、脑组织、眼 |
AAV3 |
肌肉、肝脏、肺、眼 |
AAV4 |
中枢神经、肌肉、眼、脑 |
AAV5 |
肺、眼、中枢神经、关节滑膜、胰腺 |
AAV6 |
肺、心脏 |
AAV7 |
肌肉、肝脏 |
AAV8 |
肝脏、眼、中枢神经、肌肉 |
AAV9 |
心脏、肌肉、肺(肺泡)、肝脏、中枢神经 |
AAV-Rerto |
神经系统(逆向非跨突触) |
AAV-DJ |
肝脏、视网膜、肺、肾脏 |
AAV-DJ/8 |
肾脏、眼、中枢神经、肌肉 |
AAV-RH10 |
肺、心脏、肌肉、中枢神经、肝脏 |
表3 不同血清型AAV的组织靶向特异性
AAV基因治疗前景
近年来,AAV基因治疗在临床和研究上取得了显著的进展,包括应用领域不断拓展、治疗效果的不断提升、治疗方案的不断创新等方面,被认为是基因治疗发展的重要方向之一。
从临床试验来看,以AAV为载体的基因治疗主要靶向眼部、大脑、肌肉和肝脏。一些研究表明,AAV基因治疗可以有效地治疗一些常见的遗传性疾病,同时AAV基因治疗在肝病、视网膜疾病、免疫疗法等领域也有着广泛的应用。它有望为治疗一些目前无法治愈的遗传性疾病带来新的希望。随着技术的不断创新和进步,相信AAV基因治疗将能够在未来重新定义基因疗法的未来。
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