Cell综述深度解读！线粒体疾病疗法开发的前景！

2020年4月21日 讯 /生物谷BIOON/ --线粒体疾病是由细胞核或线粒体基因组中广泛的基因突变所诱发的一种异质性疾病，目前治疗该病的疗法主要集中于对症治疗而并非改善由特定基因突变所引发的生化缺陷；日前，一篇发表在Cell杂志上题为“Mitochondrial Diseases： Hope for the Future”的综述文章中，来自纽卡斯尔大学等机构的科学家们通过研究论述了线粒体疾病的疗法进展（小分子和基因疗法），以及有效预防线粒体疾病通过生殖细胞遗传的方法的进展情况。

图片来源：Oliver M. Russell, et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051

线粒体疾病是一组复杂的代谢性障碍，其主要是由遗传缺陷影响线粒体的氧化磷酸化所导致的，不管是从临床还是从治疗的角度来讲，临床研究人员治疗这种疾病面临着一定的挑战，文章中，研究人员从以下方面对线粒体疾病的疗法及预防手段进行了分析论述，包括当前线粒体疾病疗法所面临的挑战、小分子药物疗法的开发、诱导线粒体翻转、代谢重编程、调节活性氧和氧化性压力的产生、恢复mtDNA（线粒体DNA）的动态平衡、控制线粒体的基因组、线粒体疾病传播的预防，

线粒体疾病疗法开发所面临的挑战

线粒体疾病是最常见的遗传决定的代谢性疾病之一，氧化磷酸化（细胞中ATP产生的主要来源）一般发生在线粒体内膜上，在该过程中有5种复合体会发挥作用，其中3种复合体会将质子泵入线粒体膜间空间中（即复合体I、III和IV），而复合体V则能利用电化学梯度将ADP和Pi合成ATP，然而，氧化磷酸化依赖于多种其它通路来有效发挥作用，同时其也会受到多种遗传缺陷的影响，线粒体疾病是人类唯一的由两种基因组参与的疾病，mtDNA（线粒体DNA）是一种小型的环状基因组，其能编码13个线粒体蛋白（氧化磷酸化系统的所有组分）、22个mt-tRNAs和2个mt-rRNAs；然而，绝大多数线粒体蛋白（大约1200个氨基酸）都是核编码后被运输到线粒体中，并非所有核线粒体蛋白都会参与到氧化磷酸化过程中，但许多会参与到氧化磷酸化复合体的组装、mtDNA的复制、表达和修复及其它的代谢通路过程中去。

mtDNA的遗传特性是非常复杂的，因为每个细胞中都会有多个mtDNA的拷贝，mtDNA的突变可以是同质的（基本上所有的mtDNA都会受到影响），也可以是异质的（混合了突变和野生型的mtDNA）。mtDNA的突变在功能上是隐形的，因此即使存在突变的mtDNA，也只有在突变的mtDNA水平达到临界阈值时才能够观察到生化表型。mtDNA存在大量的大规模缺失和点突变，而其生化缺陷的阈值因每个突变和细胞类型而异，甚至同一突变在不同患者中也可能会表现不同；然而有害的生化表型在单细胞水平表达之前，致病性突变通常需要达到较高的异质性（大约70%），在明显相似的异质性水平下，在携带相同mtDNA突变的患者中也会发生显著差异的临床表型，这方面一个很好的例子就是m.3243A > G疾病，这是一种存在明显表型变异的疾病，其可能会反映影响疾病表达核遗传因素。

研究者表示，为许多病人建立一种遗传诊断还是非常具有挑战性的，尤其是那些携带核基因突变的患者，然而，随着新一代测序技术的出现，如今研究人员就会发现影响线粒体氧化磷酸化的新型遗传缺陷，截至目前为止，研究人员已经在300多个基因中发现了致病性的突变，而识别特异性的缺陷是非常重要的，因为其不仅能帮助揭示特定患者机体发病的分子机制，还能凸显出此前并未考虑的患者特殊样本在开发新型治疗方法上的潜在重要性。

由于线粒体疾病可变的临床特征、基因型-表型的异质性和转诊护理途径的复杂特性，确定线粒体疾病的发病和流行一直以来对于研究人员而言都是一大挑战；多项研究表明，核遗传缺陷是儿童线粒体疾病的主要发病原因，即mtDNA的突变在成年人体内更为普遍一些；对于儿童中好发的线粒体疾病而言（小于16岁），估计每10万人中有5-15个不等，而对于成年人而言，mtDNA突变的疾病的流行率则为每10万人中9.6人，另外还有10.8人存在风险，因为一级亲属会受到影响，而在核遗传原因方面，人群中的流行率大约为每10万人中2.9人。

临床挑战

目前线粒体疾病治疗方面所面临的主要挑战之一就是在线粒体疾病患者中所发现的表型-基因型关系存在差异（不一致），这不仅反应在不同的器官中，还反应在疾病严重性上；儿童可能会受到诸如莱氏综合症（Leigh’s syndrome）等严重神经变性疾病的影响，但即使是这种疾病，其预后也会因背后遗传缺陷不同而存在明显的差异；成年人发病一般并不是很严重，比如慢性进行性眼外肌麻痹（chronic progressive external ophthalmoplegia）等疾病。

尽管这篇综述重点分析了特定疗法的开发，但更重要的是，我们需要认识到，线粒体疾病患者需要对症治疗，这或许才能改善患者的生活质量并可能增加其预期寿命，这些疗法通常是器官特异性的，比如治疗线粒体癫痫的抗惊厥药、治疗糖尿病的胰岛素或降糖药、或使用心脏起搏器或植入式电子设备治疗心脏传导障碍等，目前有一些研究人员提出的指导方针，但在寻求更好治疗手段的同时，对患者进行对症治疗也是至关重要的。

图片来源：Oliver M. Russell, et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051

小分子药物疗法的开发

小分子药物的寻找是开发线粒体疾病疗法的关键步骤，近来，多家生物技术公司就致力于发现或改进线粒体疾病的疗法，这主要得到了监管和财政激励措施的推动，旨在刺激孤儿药的开发以用来治疗诸如线粒体疾病等多种疾病。虽然与其它神经性疾病相比而言，线粒体疾病较为罕见，但调节线粒体的功能在降低其它疾病的发病上也扮演着非常关键的角色，比如阿尔兹海默病、帕金森疾病等；的确，诸如肥胖、糖尿病和非酒精性脂肪肝等代谢综合征或许就能够展现出线粒体疾病修饰剂的靶点；尽管研究人员讨论的小分子的设计是用来改善原发性线粒体疾病的，但其应用或许并不会局限于这些疾病，其应该更广泛用于治疗线粒体所参与的多种疾病的发生。

迄今为止，线粒体疾病的治疗策略主要是以症状为基础，主要侧重于因患者机体生理性压力（比如脱水、发烧、手术和败血症等）引起的急性代谢失常症发作期间的恢复期或预防性策略；虽然目前已经列出了超过50项临床试验，其目的主要是针对治疗线粒体疾病的药物，但大多数的药理性策略的证据仍然主要是道听途说的，目前仅有一种名为艾地苯(Idebenone)的药物能够提供充足的科学证据，而且其也是FDA/EMA批准的用于治疗线粒体疾病的药物，主要是用来治疗Leber遗传性视神经病变患者的急性视觉损失。

在过去10年里，研究人员在线粒体疾病研究方面取得了长足的进步，无论是我们对线粒体生物学特性的基本理解上，还是我们识别大部分患者机体遗传缺陷上；目前治疗线粒体疾病患者的临床需求并未得到满足，这就激起了学术界和商业上对开发新型疗法的兴趣，同时也让科学家们意识到，线粒体或许参与到了多种疾病的发病过程中，而利用患者或遗传修饰细胞系来进行分子和遗传筛查或许就有望帮助研究人员识别出更多药物靶点。比如，并没有人会预料到相对缺氧状况在治疗氧化磷酸化障碍上具有一定的潜在价值，而新药物的开发是一个非常漫长的过程，利用能对线粒体功能产生积极影响的重新定向药物或许在治疗线粒体疾病患者上能发挥一定的治疗潜力。

近25年来科学家们一直在考虑利用某种形式的基因疗法来纠正异质性的mtDNA障碍，如今这种策略越来越接近于临床试验了，日前研究人员就利用两种不同的技术改变mt-tRNAAla小鼠模型机体中的异质性水平；尽管科学家们还要面临更多障碍，但当前的研究结果让人非常受鼓舞，而在其它领域中基因疗法的进展或许也能够纠正诱发疾病的基因缺陷，当与诸如IVF等技术联合使用时或许就有望预防mtDNA突变传播给下一代，从而给后代疾病的治疗带来一定的希望。

在新型疗法的开发过程中，最重要的就是进行有意义临床试验的能力，此前研究人员缺乏线粒体治疗的临床试验数据，部分是因为原发性线粒体疾病的罕见特性，这或许也会影响临床试验成功进行、设计和基金支持，关于自然历史（疾病症状、异质性和发展）和潜在的疾病机制缺乏科学证据，除了缺乏有临床和监管机构意义的、标准化的评估结果的措施外，在临床试验设计中，缺乏有意义的临床和监管机构的标准化措施，已被公认为是指导临床试验设计的关键缺点。研究力量的缺乏（受样本尺寸有限和治疗效果小的影响）、可变终点的选择（单一主要的、多重或综合性的）、统计学显著性和临床有意义的结果之间的二分法，以及缺乏成熟的生物标志物来替代临床有效性终点，也会影响高质量临床试验的能力，而针对上述几个缺点的变革性方法，目前正在试验中进行实施。

研究人员相信，在未来10年内，线粒体疾病疗法的开发将会取得重大突破，研究人员将会通过基因疗法的进一步进展和筛选方法的开发来发现能改善细胞线粒体功能的新型小分子物质；这些进展与创新性的临床试验设计方法（包括开发可穿戴的技术及虚拟控制技术）联合使用或将预示着未来线粒体疾病患者创新性的个体化疗法时代的真正到来。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Oliver M. Russell, Gráinne S. Gorman, Robert N. Lightowlers, et al. Mitochondrial Diseases: Hope for the Future, Cell, 2 April 2020, Pages 168-188, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051