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基因疗法经由过程病毒载体靶向神经拯救婴儿

发布时间:2017-11-21 00:00

Milan 和 Elena Villarrea 给 Evelyn 注册接受基因治疗试验,他们因为脊髓肌肉萎缩症曾失去了一个孩子。 图片来源:MIKE SHANAHAN

并没有什么特别的事情发生在长着红色小卷毛的 3 岁的 Evelyn 身上,除了她不应该在家里的起居室一边与来访者说话,一边穿着连裤袜跟着一首名为《快乐》的曲子旋转着跳舞。

Evelyn 的姐姐 Josephine 患有脊髓肌萎缩Ⅰ型(SMA1)疾病,这是一种导致婴儿逐渐瘫痪的疾病。Josephine 在 15 个月大时死去。Evelyn 的到来属于意外怀孕,但她的父母仍决定生下她,尽管这个婴儿有着 1 / 4 发生第二次悲剧的风险。

当 Evelyn 在 2014 年 12 月出生后,她的父母很快便从遗传测试中绝望地了解到,她也患有 SMA1。“我知道我们要面对什么,我们会一直爱她。”她的父亲 Milan Villarreal 说。在 8 周时,Evelyn 接受了一次基因疗法,在她的体内注入了一种重要的缺失蛋白。

现在,她与任何健康的孩子看起来并没有太大的区别。除了腿部较弱,不能正常跑步或蹦跳外,她仍然可以走得很快,可以跳舞、描字母、扔泡沫块、搬动小椅子,或是爬到她母亲 Elena 的腿上。Villarreals 一家人已经见证了 Evelyn 从爬动到走路到说话。“它就像一个奇迹。每个历程都像一场庆典。我们会为她做的每一件小事开香槟庆祝。”Milan 说。

Evelyn 参与的临床试验的结果也让很多基因疗法研究人员感到震惊,它成为这个一度波澜不断的领域最明显的成功案例。共有 15 名婴儿接受 SMA1 治疗,否则他们在两岁左右就会死亡。根据近日发表于《新英格兰医学期刊》(NEJM)的一项报告,现在这些婴儿已经长到 20 个月甚至更大,他们大多数已经会坐。这种基因疗法是一种一次性疗法,通过简单注射到静脉发挥作用。“此前我从没有见过哪种基因疗法的效应可以对致命疾病起作用。”哥伦布市美国国家儿童医院神经学家、带领这一最近试验的 Jerry Mendell 说。

这一消息为基因疗法增添了动力。一种通过基因治疗失明的疗法在今年 10 月获得了美国食药监局(FDA)专家组批准,该疗法将成为首个美国批准治疗遗传性疾病的基因疗法。此外,这一新疗法的安全性和成功性正在激励其他研究人员利用基因疗法进行静脉注射或脊椎注射,以治疗罕见的儿童神经或肌肉疾病,甚至是治疗成年人疾病,如帕金森氏症。

离体病毒载体

最初,当患者是动物时,用基因疗法治疗神经性疾病似乎很容易。在 20 世纪 90 年代,研究人员在新出生小鼠(经过基因工程编辑存在一些特定代谢性疾病)的脑部注入携带缺失基因的病毒载体。密苏里州圣路易斯华盛顿大学医学院的 Mark Sands 说,其结果“令人震惊,效果是如此之好”。但他补充说,小鼠大脑很小。“挑战在于如何从质量仅有半克重的小鼠大脑扩展到质量在 1000 克的儿童大脑。这是 2000 倍的大小差异。你怎么才能让它发挥作用呢?”

结果表明,研究人员很难做到这一点。1996 年,一个团队在两名儿童(罹患一种叫作卡纳万病的大脑疾病)颅腔内注入了含有一个治疗基因的脂肪颗粒。该研究当时极具争议,而且也并未帮助到患者。随后,其中的同一批研究人员在另外 13 名卡纳万病患者的颅骨钻了 6 个孔,注射由一种明显无害的病毒——腺相关病毒(AAV)所形成的载体以进行治疗;类似的 AAV 试验还被用于治疗用一种严重的儿童遗传性脑病贝敦氏症。

然而,任何疗法均未缓解疾病。一种完全不同的治疗方法则产生了唯一一例神经疾病的成功治疗。研究人员从患者处提取造血干细胞后,利用经过修饰的艾滋病病毒(HIV)缝合到一个新的基因内,然后将该细胞重新注入患者体内。其中一些细胞会迁移到大脑,然后形成叫作神经胶质(可生成所需蛋白)的神经支撑细胞。根据今年 10 月发表于 NEJM 的一篇文章,在 15 名男孩中,这种“在活体外的”基因疗法阻止了一种叫作肾上腺脑白质失养症(ALD)的致命疾病,这种疾病会破坏神经元周围的髓鞘。意大利基因疗法研究人员已经报告了类似的治疗方法,用于治疗患有异染性脑白质营养不良脑病的年轻患者。

但是离体基因疗法对因缺乏分泌蛋白而引起的脑部疾病最为有效:移植的细胞可以通过为其他神经细胞生成分子而取代它。对很多紊乱性疾病来说,缺失的蛋白是在细胞内运行的,因此所有需要它的细胞必须接受载体。

从死亡到希望

回应这一需求的病毒载体是从一例死亡案例开始的。21 世纪初,该领域带头人之一、宾夕法尼亚州立大学遗传学家 James Wilson 被要求改变研究方向。在 Wilson 于 1999 年带领的临床试验中,18 岁的 Jesse Gelsinger 因为对强效腺病毒载体的大规模反应而死亡,他为治疗肝病而接受注射该病毒载体。Wilson 在该试验中存在经济利益,他面临 Gelsinger 家人的诉讼和食品药品管理局的调查,最终他接受了对这些领先临床试验的 5 年禁令。随后,他转向寻找新的 AAVs 种类,这比腺病毒更加安全,而且已经成为一种受欢迎的载体。

2004 年,Wilson 实验室的 Guangping Gao 等报告称,他们梳理人类和灵长类的组织后发现了超过 100 种拥有“趋性”或优先性的新型 AAVs,可以用于感染特定类型的细胞。其中之一的 AAV9“与其他任何 AAV 都不同。Wilson 回忆,当把它高剂量地注射到血液中时,它会到达所有地方”——心脏、肌肉、大脑组织。最吸引人的是它导向目标追踪神经元的能力,而神经元是治疗许多脑和脊髓疾病的关键。

其他研究人员开始争先恐后地确认 AAV9 对神经系统的作用。2009 年,一个法国团队和国家儿童医院 Brian Kaspar 的实验室分别发表论文推动了这一领域的研究。罹患 SMA1 后出生的婴儿都软软的,不能很好地吸吮或抬头;因为脊髓运动神经元的缺失,他们的肌肉会变弱,到了某一时刻就不能呼吸,并随之死亡。由 Kaspar 带领的团队着手研究通过对 AAV9 进行基因工程编辑使其携带 SMN 基因的一种治疗方法。

在看到存在 SMA1 的新生小鼠经过这种疗法后拥有正常的运动功能和生命周期,他们计划进行静脉注射。猴子试验表明,相关剂量是安全的。FDA 和重组 DNA 顾问委员会(美国国立卫生研究院审查大多数美国基因疗法试验的机构)批准了这项研究,而国家儿童医院和一家基金会同对其进行资助。

在首名婴儿接受 AAV9 疗法试验剂量后不久,她的肝酶飙升至正常水平的 31 倍,表明可能发生细胞损伤。“那天晚上我根本无法入眠。”Mendell 说。但类固醇很快降低了肝酶水平,FDA 建议他继续下去。另外 3 名婴儿也发生了肝酶水平上升,但并无肝脏损伤的临床迹象,所以试验继续进行。

尽管试验的目的主要是检测该疗法的安全性,但很快便清楚了——引入的基因减缓了婴儿的萎缩症。婴儿没有变得更软、难以呼吸,而是变得更加强壮。Evelyn 肚皮贴在地上,有一天开始抬起头,Elena Villarreal 回忆。“那就像是患上 SMA1 之后永远不可能发生的事情。”现在,在 15 名接受治疗的婴儿中,仅有 8 名还需要面罩帮助呼吸。

令人激动的期望

这种疗法能够在多长时间内发挥作用仍不清楚。与 HIV 和其他用于离体基因疗法的病毒不同,AAVs 不会将治疗基因整合到细胞的基因组中;它们会将其存储为一种自由移动的 DNA 循环,这意味着当细胞复制自身时,这些效应就会消失。但国家儿童医院基因治疗中心主任 Kevin Flanigan 说,神经元不会分裂,因此经过治疗的组织应该持续多年产生 SMN 蛋白。

如果该基因疗法的益处最终消退,SMA1 患者将需要重新治疗,但到时他们体内已经有了 AAV9 抗体,可能会阻碍它。但 Mendell 说,国家儿童医院的研究人员正在研究对策,比如从血液中过滤抗体,或者提供特定免疫抑制药物。

另一个距离稍远的担心是癌症。由 Sands 和其他人开展的研究已经发现,当给大鼠大剂量的注射时,一些 AAVs 会将其 DNA 通入基因组,从而导致肝癌。Sands 指出,科学家仍不知晓那些结果是否会与人类相关。一些基因治疗专家则确信,在过去的基因治疗试验中,数千名患者中并未出现肝癌。

AveXis 已经启动了另一项 SMA1 研究,它计划治疗该病症的较轻症状。现在,高剂量、系统地输入 AAV 的基因疗法似乎是安全的,国家儿童医院和其他机构的团队正在启动针对其他神经肌肉疾病的临床试验,它们旨在向肌肉细胞而非神经元输入新基因。

对于 SMA1 和其他渐进性的疾病患者来说,早期治疗非常关键。“一旦神经元消失后,它们就永远消失了。”纽约罗切斯特大学医学中心儿科神经学家 Jonathan Mink 说。

一些研究人员对这种侵入性较低的传递 AAV9 以到达足够多脑细胞的新方法仍持怀疑态度。其他的基因治疗专家则希望能够找到新的 AAV 载体,甚至能够更好地穿过血脑屏障。

SMA1 研究让 Evelyn 的父母拥有一个会跳舞的小女孩,因为这项研究而激动的基因治疗专家热切地期望了解是否有同样的策略可以挽救更多患有严重遗传疾病的儿童。若如此,基因疗法在医学“兵工厂”的地位将会得到肯定。Wilson 说:“这不是一次微小的提升。它是一个革命性的变化,它是我们一直期望基因疗法所能够实现的。”

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/gene-therapy-s-new-hope-neuron-targeting-virus-saving-infant-lives

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