Nat Comun：递送细菌的钠离子通道基因可让活小鼠的心肌细胞电激活

2022年2月6日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国杜克大学的研究人员首次展示了一种可以帮助活小鼠的心肌细胞电激活的基因疗法。该方法的特点是采用编码钠离子通道的工程化细菌基因。这一发现有可能导致治疗一系列电性心脏病的方法。相关研究结果于2022年2月2日发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Engineered bacterial voltage-gated sodium channel platform for cardiac gene therapy”。

论文通讯作者、杜克大学生物医学工程教授Nenad Bursac说，“我们能够提高心肌细胞启动和传播电活动的能力，这很难用药物或其他工具实现。我们用来在小鼠的心肌细胞中递送基因的方法先前已被证明可以持续很长时间，这意味着它可能有效地帮助那些努力按照正常节律跳动的心脏。”

钠离子通道是电兴奋性细胞（如心脏细胞或脑细胞）外膜中的蛋白，可将电荷传送到细胞中。在心脏中，钠离子通道告诉心肌细胞何时收缩，并将指令传递下去，这样这个器官就可作为一个内聚单元泵送血液。然而，无论是因疾病还是因创伤而受损的心脏细胞往往会失去全部或部分传输这些信号的能力。

细菌钠离子通道基因的人类密码子优化提高了功能性通道的表达，图片来自Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28251-6。

人们可以采取的一种恢复这种功能的方法是基因疗法。通过递送负责编码钠离子通道的基因，该方法可以在患病的心肌细胞中产生更多的钠离子通道，帮助提高它们的活性。

不幸的是，在哺乳动物中，钠离子通道太大，无法装入目前用于人类现代基因疗法的病毒载体中。为了避开这个问题，Bursac和他的实验室转而采用了编码细菌中类似钠离子通道的较小基因。虽然这些细菌基因与人类的同类基因不同，但自从数亿年前多细胞生物与细菌区分开来后，进化在这种钠离子通道设计方面保留了许多相似之处。

几年前，Bursac实验室的前博士生Hung Nguyen对这种细菌基因进行了突变，以便它们编码的钠离子通道能够在人类细胞中变得活跃。在这项新的研究中，Bursac实验室博士生Tianyu Wu进一步优化了这种基因的内含物，并将它与一个专门限制心肌细胞产生钠离子通道的“启动子”相结合。然后，这些作者通过将携带这种细菌基因的病毒载体递送到小鼠的静脉来测试他们的方法，以便在整个身体内传播。

Wu说，“我们努力寻找钠离子通道的实际形成位置，并且如我们所愿，我们发现它们只进入了心房和心室内的工作心肌细胞。我们还发现，它们不会最终进入产生心跳的心脏细胞，这也是我们想要避免的。”

这种基因治疗方法只在细胞内递送额外的基因；它并不试图以任何方式切断、替换或改写现有的DNA。科学家们认为，通过这种方法递送的基因利用现有的生化机制在细胞内自由漂浮时制造蛋白。以前对这种病毒基因递送方法的研究已表明移植的基因应该在许多年内保持活性。

作为概念的证明，在实验室环境中对细胞进行的测试表明，这种治疗方法可以改善电兴奋性，足以防止人类的异常情况，如心律失常。在活体小鼠体内，这些结果表明，钠离子通道在心脏中是活跃的，显示出兴奋性改善的趋势。然而，还需要进一步的测试来衡量在整个心脏水平上的改善程度，以及它是否足以拯救受损或患病的心脏组织的电功能，以作为一种可行的治疗方法。

展望未来，这些作者已确定了不同的在初步研究中发挥良好作用的细菌钠离子通道基因。Bursac团队还与杜克大学生物医学工程教授Craig Henriquez和杜克大学儿科研究学者项目主任Andrew Landstrom的实验室合作，测试这些基因在模拟人类心脏疾病的小鼠模型中恢复心脏功能的能力。

Bursac说，“我认为这项研究真的很令人兴奋。我们一直在利用大自然在数十亿年前制造的东西来帮助人类治疗现代疾病。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hung X. Nguyen et al. Engineered bacterial voltage-gated sodium channel platform for cardiac gene therapy. Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28251-6.