下一代基因治療指向堿基編輯

2021年8 月 26 日——堿基編輯已成為基因治療領(lǐng)域一個杰出且有前途的新參與者。基礎(chǔ)編輯技術(shù)的創(chuàng)新是快節(jié)奏的，不斷產(chǎn)生新的、更高效和特定的編輯器。最近，多項體內(nèi)動物研究為堿基編輯在罕見遺傳疾病及其他疾病的治療應(yīng)用提供了概念驗證數(shù)據(jù)。

今年注定是基因編輯療法史上值得紀念的一年。Vertex Pharmaceuticals 和 CRISPR Therapeutics 宣布，接受離體 CRISPR 修飾細胞療法治療鐮狀細胞病和 β 地中海貧血的患者在初始治療一年后仍獨立于輸血，沒有明顯的副作用。

Intellia Therapeutics 和 Regeneron Pharmaceuticals 最近公布了他們關(guān)于有史以來第一個全身性給藥的體內(nèi)基因編輯療法的數(shù)據(jù)。在這項試驗中，受轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣影響的患者在 CRISPR-Cas9 靶向功能失調(diào)的蛋白質(zhì)后顯示出血清中致病蛋白水平降低，這是一種危及生命的疾病，其特征是錯誤折疊的轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白在組織中積累。

由 Editas Medicine 領(lǐng)導(dǎo)的基于 CRISPR 的試驗的數(shù)據(jù)預(yù)計將于今年公布，該試驗旨在治愈 Leber 先天性黑蒙 (LCA)，這是最常見的遺傳性兒童失明形式。這些令人鼓舞的進展推動 CRISPR-Cas9 編輯向前發(fā)展，以尋求治愈罕見的、使人衰弱的遺傳疾病。

盡管這一消息令人興奮，但這些創(chuàng)新的基因療法引起了安全問題。CRISPR-Cas9 通過切割 DNA 啟動基因組編輯過程，在目標位點引入雙鏈斷裂 (DSB)。這會在修復(fù)部位產(chǎn)生 DNA 堿基對的半隨機插入和缺失(插入缺失)。

除了預(yù)期的目標位點外，這些事件還可能發(fā)生在基因組中的非預(yù)期位點，導(dǎo)致不需要的編輯和潛在的有害染色體重排，尤其是在靶向多個位點時。不良修飾很少見，但可能具有致癌和/或毒副作用。隨著插入缺失的產(chǎn)生，CRISPR-Cas 技術(shù)可以有效地破壞基因或致病蛋白，但在考慮治療應(yīng)用時不足以精確或有效地引入特定的 DNA 變化。

進入基礎(chǔ)編輯

一種新的 CRISPR 衍生技術(shù)，堿基編輯，于 2016 年開始發(fā)揮作用，它繞過了為成功編輯而產(chǎn)生 DSB 的需要。依賴于催化受損的 CRISPR-Cas 復(fù)合物募集到靶位點的脫氨酶，堿基編輯促進了無縫堿基轉(zhuǎn)換，允許在越來越多的其他治療應(yīng)用中進行基因校正和沉默。

基因治療領(lǐng)域的這個有前途的參與者主要有兩類：胞苷堿基編輯器 (CBE)，介導(dǎo)胞嘧啶-鳥嘌呤到胸腺嘧啶 - 腺嘌呤的轉(zhuǎn)化，以及腺嘌呤堿基編輯器 (ABE)，其誘導(dǎo)腺嘌呤 - 胸腺嘧啶到鳥嘌呤 - 胞嘧啶的轉(zhuǎn)化，理論上允許校正所有轉(zhuǎn)換突變。對于罕見疾病的應(yīng)用，該技術(shù)涉及直接將致病突變恢復(fù)為正確的序列。

一個很好的例子來自一項研究，該研究為早衰癥(或 Hutchinson-Gilford 早衰癥綜合征)兒童帶來了希望，這是一種以過早衰老為特征的致命疾病。研究人員使用 ABE 來恢復(fù)層粘連蛋白 A 基因中的 G 到 A 突變，該突變導(dǎo)致錯誤剪接和有毒蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。在這項研究中，通過降低小鼠模型中的有毒蛋白質(zhì)水平，實現(xiàn)了對各種器官的致病突變的實質(zhì)性糾正，與未治療的對照組相比，壽命延長了三倍。該策略有可能成為早衰癥的首個治愈方法，這種一次性治療可以永久糾正疾病的根本原因，并延長受影響兒童的壽命和生活質(zhì)量。

在受 LCA 影響的成年小鼠中也取得了非常令人鼓舞的結(jié)果。通過在眼睛中使用慢病毒傳遞的 ABE，RPE65 基因中的無義突變被恢復(fù)，視覺功能恢復(fù)接近正常。

堿基編輯也證明了它在通過宮內(nèi)分娩糾正出生前疾病突變方面的功效。Hurler 綜合征是一種多器官溶酶體貯積病，在產(chǎn)前發(fā)生并導(dǎo)致產(chǎn)后早期心肺死亡。IDUA 基因中的致病突變(G 到 A)導(dǎo)致 α-糖苷酸酶缺乏和糖胺聚糖的溶酶體積累。已證明在子宮內(nèi)遞送 ABE 可在該疾病的小鼠模型中有效地重建胚胎肝細胞和心肌細胞的正確基礎(chǔ)，改善存活率以及心臟代謝和肌肉骨骼功能。這為治療產(chǎn)前發(fā)病和有限的產(chǎn)后治療的疾病提供了機會。

堿基編輯也可用于通過引入無義突變或改變剪接位點以產(chǎn)生過早終止密碼子來禁用致病或有毒蛋白質(zhì)。該策略已被用于破壞導(dǎo)致肌萎縮側(cè)索硬化 (ALS)的有毒蛋白質(zhì)，一種致命的神經(jīng)退行性疾病。大約 20% 的 ALS 患者的 SOD1 基因發(fā)生突變，導(dǎo)致產(chǎn)生有毒蛋白質(zhì)。在 ALS 小鼠模型中，通過在脊髓中傳遞的 CBE 進行堿基編輯，在 SOD1 基因中引入了無義突變，導(dǎo)致突變蛋白水平降低，運動神經(jīng)元存活率增加。盡管疾病的發(fā)作不受治療的影響——很可能是由于堿基編輯器對受影響細胞的傳遞效率低——但干預(yù)減緩了疾病的進展，并增加了接受治療的小鼠的存活率和神經(jīng)肌肉能力. 堿基編輯器交付方面的進步為 ALS 的治療提供了更多的希望和機會。

跳過有害外顯子是使用堿基編輯器成功實施的另一種策略。Duchenne 型肌營養(yǎng)不良癥 (DMD) 通常是由突變破壞了抗肌萎縮蛋白基因的正確剪接導(dǎo)致單個或多個外顯子丟失所致。外顯子 51 的缺失是 DMD 患者中最常見的單外顯子缺失突變之一，導(dǎo)致引入過早終止密碼子并產(chǎn)生非功能性截短的抗肌萎縮蛋白，這是嚴重肌肉退化表型的原因。科學(xué)家使用 ABE 系統(tǒng)破壞剪接位點并誘導(dǎo)外顯子與過早終止密碼子的跳躍。 在攜帶外顯子 51 缺失的小鼠模型中，肌纖維中的功能性肌營養(yǎng)不良蛋白通過該系統(tǒng)恢復(fù)。這些結(jié)果支持了一種新的治療策略，該策略可以在大量患者中恢復(fù)骨骼肌和心肌功能。

罕見病以外的堿基編輯

除了罕見疾病領(lǐng)域之外，堿基編輯還有可能解決非傳染性疾病，正如最近在非人類靈長類動物中進行的臨床前研究所證明的那樣。ABE 對 PCSK9 基因的肝臟特異性失活可持久降低接受治療的靈長類動物中膽固醇和甘油三酯的循環(huán)水平，這提供了初步但有力的證據(jù)，表明堿基編輯可以為冠狀動脈疾病提供安全的“一次性”治療，這是主要原因全世界的死亡人數(shù)。

這種方法的首次人體試驗即將開始，重點是受遺傳疾病影響的患者：家族性高膽固醇血癥。一旦確定了安全性和有效性，該策略就有可能更廣泛地應(yīng)用于所有患有或有患上危及生命的動脈粥樣硬化性心血管疾病風(fēng)險的患者。

在地平線上

這并不代表基因治療領(lǐng)域中堿基編輯應(yīng)用程序的詳盡列表。科學(xué)家們已經(jīng)為其他未滿足的疾病提供了令人信服的數(shù)據(jù)，還有許多其他疾病可能是目標。據(jù)估計，堿基編輯器可以糾正 37% 導(dǎo)致 4,000 種疾病發(fā)展的致病性單核苷酸變異。

堿基編輯器的持續(xù)快速發(fā)展以實現(xiàn)更高的編輯效率和特異性，以及交付方式的改進，使科學(xué)和臨床社區(qū)對該技術(shù)不僅在管理，而且在治療遺傳疾病方面即將取得成功充滿樂觀和興奮。

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