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汇总：神经退行性疾病的基因治疗研究进展

基因治疗圈 2023-06-08 19:49

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神经退行性疾病（neurodegenerative diseases）是机体神经元结构或功能逐渐丧失而引发的一类疾病，通常涉及细胞内功能异常蛋白渐进积累，具体表现为神经元进行性变性及坏死，引起认知、情绪及行为异常，代表疾病包括帕金森病（PD）、阿尔兹海默病（AD）、亨廷顿舞蹈症（HD）及肌萎缩性侧索硬化（ALS）等。当前临床对于神经退行性疾病的治疗仍以对症治疗、缓解症状为主，尚缺少针对病因的有效治疗方法，且随着疾病进展，药物治疗效果下降，副作用增加。脑内给药，特别是基因治疗，通过对特定蛋白的改变或表达实现对神经保护或纠正，被认为是治疗神经退行性疾病的有力工具。

基因治疗在神经退行性疾病领域的应用前景与挑战

根据治疗途径，可将基因治疗划分为体外基因治疗和体内基因治疗。体外基因治疗指将患者的细胞在体外进行遗传修饰后回输至体内。该治疗方式不会诱导免疫反应，可实现安全有效的疗效，但细胞离体操作一方面可能会导致其活力降低，另一方面利用整合型病毒可能会导致随机插入基因组，进而引起癌变发生。

体内基因治疗是指将携带治疗性基因的病毒/非病毒载体直接递送到患者体内。将合成的DNA或RNA递送到细胞、组织或脑脊液、血流等复杂生理环境往往需要病毒载体：裸露的DNA或RNA注射通常在效率上受限，或被先天免疫系统排斥；化学修饰虽可在效率和免疫排斥等方面有所缓解，但最常用的方法是在一定水平上有效实现组织靶向性和长久有效性，而腺相关病毒（AAV）不同血清型载体对组织嗜性不同，且能够对目的基因进行长时间表达。有研究表明AAV介导的神经系统基因递送在大鼠中表达时间超过6个月，在灵长类中表达持续时间超过6年。

图1 体内和体外基因治疗^[1]

不同神经类型疾病的给药方式往往不尽相同。神经感觉障碍治疗方式最好选择眼睛或耳蜗局部注射载体；脑内注射仍然是将治疗基因递送到大脑最常用方法；鼻内给药可能适用于恢复溶酶体酶水平的给药方式，可分泌并通过中枢神经系统扩散；肌肉注射脊髓注射AAV可改善少数运动神经元疾病。图2概述了AAV基因治疗中针对神经系统疾病的各种给药途径。

图2 AAV递送神经系统给药方式^[2]

基因治疗在神经退行性疾病中的应用前景取决于两个因素：靶向致病基因的能力和实现“一次给药，终生治愈”的可能性。相较于其它器官，对于影响中枢神经系统的疾病难以实现重复给药。另一方面，大多数外周给药药物无法跨越血脑屏障，疗效较差。

如何使基因真正靶向作用于中枢神经系统并且达到一定转导效率仍是基因治疗必须要解决的问题。同时，基因治疗涉及的复杂实施步骤以及未来临床试验中面对的伦理问题都需要不断探索与解决，从试验研究到临床应用仍需要漫长过程。

基因治疗载体在神经退行性疾病中的应用

病毒载体是递送和表达遗传物质到宿主细胞的一种优良策略。在中枢神经系统中，最常用和最具有靶向性的载体包括AAV、单纯疱疹病毒（HSV-1）、逆转录病毒（RV）和慢病毒（LV）。然而，在使用病毒载体时应考虑几个因素：（1）病毒基因组与宿主基因组的相互作用；（2）病毒基因组的免疫原性和致瘤性；（3）病毒对特定基因的趋向性；（4）用于有效转导的大规模生产设施。目前在病毒载体中，以AAV为载体的基因治疗最为常见，这是因为AAV具有很强的神经元趋向性，具有广泛的组织分布和理想的安全性。图3总结了各种病毒载体的结构特点、给药途径以及各自的优缺点。

图3 各种载体的优缺点^[1]

AAVs可转导神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、内皮细胞和室管膜细胞等，尽管包装容量有一定限制，但迄今为止，已经有超过100个AAV变体被广泛应用于不同细胞类型和物种，已成为临床基因治疗应用的首选载体。FDA批准的Zolgensma用于治疗Ⅰ型脊髓性肌萎缩症，是第一个基于AAV治疗中枢神经系统疾病（NCT03955679）的药物，且有越来越多的神经类型疾病处于临床研究阶段。目前临床试验中脑室内注射仍是最常用的给药途径，增强血脑屏障穿透能力和中枢神经系统细胞转导功能的新型AAV变体也在开发中^[3]。AAV9是一种耐受性良好的载体，具有强烈的神经元趋向性和较好的跨越血脑屏障的能力，并且在各种临床前和临床试验中表现出高度有效，此外还有AAV-AS、AAV-BR1、AAVrh10、AAV-PHP.B等AAV变体也已报道可以实现跨血脑屏障的基因递送。最近的一项研究成功筛选出一种新型AAV变体（AAV.CPP.16），有效提高了跨血脑屏障的效率，为中枢神经系统疾病基因治疗带来新的希望^[4]。

与AAV不同的是，慢病毒载体有更大的包装能力，可以整合到基因组中。直接注射CNS或通过患者细胞体外遗传修饰的慢病毒载体应用于临床研究中。Ⅲ期临床试验研究ALD-104（NCT03852498）通过自体CD34+造血干细胞（HSCs）使用Lenti-D慢病毒载体用于治疗肾上腺脑白质营养不良。基于LV的基因疗法ProSavin已在初步的临床试中表现出良好的耐受性，并对帕金森患者运动功能有轻度改善^[5]。

腺病毒可靶向神经元、星形胶质细胞和胶质瘤细胞，其转基因可在灵长类动物外周组织中持续表达长达2年，腺病毒包装滴度较高，然而也会引起宿主的免疫反应。在一项胶质瘤患者的Ⅱ期临床研究中，将携带单纯疱疹病毒（HSV）胸苷激酶的腺病毒载体动脉给药与ganciclovir系统给药联合应用，未发现任何严重不良事件^[6]。HSV有天然神经嗜性和极高装载能力等特点，是中枢神经系统基因治疗载体之一。HSV在大脑中表达仅持续几个月，给药频率较高。HSV尚未实现大规模生产，且HSV感染可导致大脑自身免疫的发生，可引起较明显的局部炎症和坏死，将HSV作为工具载体递送至CNS的基因疗法有待于进一步研究和改进。

更好地了解神经系统疾病的病因，并确定和验证一个可靠的生物标志物，将使人们对疾病的发生发展有更清晰的认识。图4总结了基因治疗载体在各种脑部疾病治疗中的应用。

图4 基因治疗载体在各种脑部疾病治疗中的应用^[1]

阿尔兹海默症（AD）的基因治疗进展

AD是一种常见的进行性神经退行性疾病，特征是记忆、思维和行为障碍，疾病进展与胆碱能神经元变性和淀粉样蛋白β（Aβ）斑块形成有关。除神经营养因子，3个与AD相关的基因可能成为基因治疗中的潜在靶点：APP（编码APP，被β和γ-分泌酶水解产生Aβ），MAPT（编码Tau蛋白），APOE（GWAS分析中与AD遗传关联性最高，与Aβ聚集、Tau神经纤维变性、小胶质细胞和星形胶质细胞及血脑屏障破坏均相关）。

首批AD基因治疗临床试验之一是研究人员使用AAV2载体递送NGF（编码神经生长因子）基因至AD患者Meynert双侧基底核，该试验证明了其安全性和长期性，但二期临床结果显示认知功能无明显变化；靶向作用于MAPT基因的ASOs疗法在小鼠和非人灵长类中均能有效降低CNS中的Tau蛋白水平，且运用该策略有一项临床试验（NCT03186989）正在进行中。2022年3月3日，一家临床阶段的基因治疗公司LEXEO Therapeutics宣布，AAV基因疗法LX1001在治疗APOE4纯合AD患者的Ⅰ/Ⅱ期临床试验中获得积极数据。该疗法旨在将表达保护性载脂蛋白E2（APOE2）的转基因递送到携带两个APOE2等位基因的AD患者的中枢神经系统，以达到阻止和减缓疾病进展的作用^[9]。

帕金森病（PD）的基因治疗进展

PD是仅次于AD的第二大常见的神经退行性疾病，以运动迟缓、静止型震颤和肌张力增高为特征。黑质致密层多巴胺能神经元丢失导致黑质纹状体抑制和兴奋通路失衡，从而引起僵硬、震颤和运动障碍等典型症状。目前临床主要依靠多巴胺能药物替代及深部脑刺激等方法治疗。目前关于PD基因疗法的研究方向主要几种在三个方面：（1）调节神经元信号以恢复神经递质失衡。如AAV2-AADC、AAV-GAD和另一种基于LV的基因疗法（ProSavin）已在初步的临床试验中表现出良好的耐受性，并对患者运动功能有轻度改善。（2）表达神经营养和再生因子。确定双侧壳核内注射AAV-GDNF安全性的临床试验正在进行中。一项将AAV2-NTN输送到壳核的Ⅰ期临床试验显示出耐受性良好，但并未改善运动功能。（3）靶向潜在的致病基因（SNCA、GBA和LRRK2）。

AAV-GAD是由GAD基因与AAV载体结合形成，是第一种进入临床试验的PD基因治疗药物。Ⅰ期临床试验结果显示AAV-GAD基因丘脑底核治疗PD安全性和耐受性良好。Ⅱ期临床试验结果显示AAV2-GAD基因治疗后PD患者临床获益持续至术后第12个月，但改善程度随着时间延长呈逐渐下降趋势；术后常见不良反应为头痛、恶心等，多与手术相关。

肌萎缩性侧索硬化（ALS）的基因治疗进展

ALS是一种致命的神经退行性疾病，由来自大脑和脊髓的运动神经元的缺失引起。目前对ALS的发病机制尚不清楚，但已发现一些基因突变与发病相关，包括SOD1、C90RF72、TDP-43、FUS/TLS、OPEN和TBK1。其中，针对SOD1和C9orf72研究较广泛，已有一些研究表明对其进行基因治疗的可行性。Biogen公司的基因治疗药物Tofersen的Ⅰ/Ⅱ期临床试验中，对具有SOD1突变的家族性ALS（fALS）患者进行鞘内注射ASO-SOD1降低了CSF SOD1蛋白水平^[7]，目前Ⅲ期临床试验已启动。

图5 神经退行性疾病基因疗法的关键临床试验时间表^[8]

总结与展望

传统治疗方式对神经退行性疾病的治疗效果有限，而基因治疗有望在罕见遗传疾病、慢性遗传病和神经退行性疾病中发挥巨大潜力。越来越多证据表明，基因疗法为许多神经退行性疾病尤其是AD、PD、ALS、SMA、脊髓小脑性共济失调（SCA）、癫痫、HD等疾病的治疗创造了新的可能性，显示了其巨大的治疗潜力。随着对潜在分子病理生理学方面的理解的进展，神经退行性疾病的替换或添加的基因治疗策略持续发展。

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