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西南医学中心开创新型基因编辑方式,可永久性恢复心脏病严重损伤,已完成概念验证研究

来源:生辉 2023-01-20 13:38

缺血/再灌注损伤是一种缺血后发生的组织损伤,即使恢复供血,组织功能也无法完全恢复。这种损伤常在心脏病发作或中风后发生。

缺血/再灌注损伤是一种缺血后发生的组织损伤,即使恢复供血,组织功能也无法完全恢复。这种损伤常在心脏病发作或中风后发生。

 

损伤出现后会导致组织产生大量氧自由基以及炎性因子等,引发组织损伤,引发功能障碍,严重时甚至会使组织丧失生理功能。此类损伤发生的机率很高,在美国,每年心肌梗死、脑卒中和其它血栓性疾病引发的缺血/再灌注损伤就影响着 130 万人口。

 

已有研究证明,缺血/再灌注损伤发生的“罪魁祸首”是一种称之为钙调素依赖性蛋白激酶 IIδ (CaMKIIδ)的慢性过度激活,且利用 CRISPR/Cas9 靶向编辑 CaMKIIδ 是一种可行的干预措施。CaMKIIδ 是 CaMKII 的一种亚型,可调节心脏功能,长期过度活跃会导致心脏病发生。CaMKII 是一种参与机体多种功能信号通路的蛋白质,其在学习和记忆、CD8 T 细胞激活和心脏钙稳态中发挥作用。

 

近日,得克萨斯大学西南医学中心(UTSW)的研究人员提出了一种治疗心脏疾病的新思路。在研究中,科研团队利用设计的碱基编辑系统改变了 CaMKIIδ 氧化激活位点的碱基序列,从而使 CaMKIIδ 对氧化激活不再敏感。

 

(来源:Science)

 

在人诱导多能干细胞来源的心肌细胞中,研究人员发现,编辑 CaMKIIδ 碱基能够消除对氧化敏感的甲硫氨酸残基,从而防止缺血/再灌注损伤。同时,研究团队还发现,缺血/再灌注损伤发生时,编辑小鼠的 CaMKIIδ 碱基,可以帮助心脏从严重损伤中恢复功能。

 

研究人员表示,我们通过试验证明了编辑 CaMKIIδ 可能是一种治疗心脏病的一次性创新策略,这种方法有潜力适用于恢复多种心脏病患者的心脏功能。

 

论文的第一作者是 UTSW 的博士后研究员 Simon Lebek 博士、通讯作者 Eric Olson 博士是 UTSW 分子生物学系的创始主任、哈蒙再生科学与医学中心以及 Wellstone 肌肉营养不良研究中心主任、Robert A. Welch 杰出科学主席等。

 

▲图丨主要研究团队,从左到右分别是 Simon Lebek、Eric Olson 以及 Rhonda Bassel-Duby(来源:UTSW)

 

“这是一种巧妙而令人兴奋的碱基编辑应用策略,不仅可以治疗某些类型的心脏病,还可以预防此类疾病发作以及造成的损伤。Eric Olson 实验室的研究有助于扩大碱基编辑治疗的应用范围,而不是简单地一次纠正一个基因突变。”博德研究所核心研究所成员、碱基编辑先驱刘如谦在一封电子邮件中说。

 

或永久性治疗心脏病损伤

 

Eric Olson 实验室的长期目标是描绘每种肌肉细胞的形成和功能的完整遗传途径,并利用这些信息为人类遗传和后天肌肉疾病开发治疗方法。包括利用 CRISPR/Cas9 基因组编辑治疗肌肉疾病,开发多种策略在肌肉损伤和肌肉萎缩症等疾病中增强肌肉再生。

 

血管疾病是该实验室重点关注的一类疾病类型。上文提到,心脏病发作引起的损伤主要是编码 CaMKIIδ 的基因过度激活,当心脏受到压力时,CaMKIIδ 成分中的两种甲硫氨酸(蛋氨酸)氧化造成 CaMKIIδ 过度激活。此外,该基因在心脏细胞信号传导和发挥功能中起着多种作用。

 

Eric Olson 团队设想,如果蛋氨酸可以转化为其他类型的氨基酸,则不会发生氧化,从而使 CaMKIIδ 避免过度激活,也使心脏免于心脏病发作造成的损伤。

 

为了验证这一设想,Simon Lebek 等实验室成员设计了一个腺嘌呤碱基编辑系统改变 CaMKIIδ 的氧化激活位点,并用 AAV 包裹着递送到实验室培养的人类心脏细胞中。Simon Lebek 在官方通稿中指出,CaMKIIδ 的氧化激活位点是在两个蛋氨酸残基的 281 和 282 位点,我们利用碱基编辑器将两个位点上的腺嘌呤转化为了鸟嘌呤,这样 ATG 变成了 GTG,也就是将蛋氨酸转换为了缬氨酸。转换之后,当心脏受到压力时,CaMKIIδ 也就不会被过度激活。

 

研究团队指出,这一编辑阻断了额外的氧化和蛋白质过度激活,同时也让 CaMKIIδ 酶发挥其他作用。

 

▲图丨在人 iPSC 来源的心肌细胞中利用碱基编辑工具编辑 CaMKIIδ(来源:上述论文)

 

细胞试验显示,当未经编辑的心脏细胞放入低氧室时,可以观察到这些细胞产生了许多损伤标记,随后便会死亡;而经过碱基编辑的细胞则可以免受损伤并存活下来,这反映出经碱基编辑的 CaMKIIδ 能够帮助心肌细胞免受缺血/再灌注损伤的伤害。

 

紧接着,研究团队在通过手术诱发缺血/再灌注损伤的小鼠模型上进行了试验。研究显示,在心脏病发作前 24 小时内,接受碱基编辑治疗的小鼠和未接受碱基编辑治疗的小鼠的心脏功能都严重受损。不过,接下来没有接受治疗的小鼠随着时间的推移病情持续恶化,而接受治疗的小鼠则在接下来的几周内病情稳步改善,最终这些小鼠的心脏能够从严重损伤中恢复到心脏病发作前的状态。

 

进一步的研究表明,这种碱基编辑只发生在了心脏部位,暂时还没有在其他器官中发现 CaMKIIδ 被编辑的证据。在接近一年的治疗期间,这种治疗方法还没有出现明显的副作用。值得一提的是,这种治疗方式治疗效果也更持久。

 

▲图丨CaMKIIδ 碱基编辑可改善缺血/再灌注损伤后心脏功能(来源:上述论文)

 

Eric Olson 指出,这些发现表明,这是一项有趣的概念验证研究,CaMKIIδ 基因编辑可能代表了一种永久性的心脏病治疗策略。

 

Rhonda Bassel-Duby 在通稿中解释道,“先前的治疗性基因编辑方式多为纠正突变的基因,我们的方法不是纠正基因突变,而是修改了一个正常基因,以确保该基因不会变得过度活跃而损伤组织。本质上,这是一种使用 CRISPR/Cas9 基因编辑的新方法。”

 

处于概念验证阶段,真正转化还面临多个难题

 

在这篇论文中,研究人员建议可在心脏病发作后采用这种碱基编辑治疗方法。不过,Eric Olson 也坦言,现阶段只是进行了概念验证研究,还没有计划将这项工作转化为生物技术,真正应用于人体还存在多个难题。

 

芝加哥大学生物科学系主任,普利兹克医学院院长 Mark Anderson 博士长期从事 CaMKII 氧化研究工作,他在回复外媒的一份邮件中写道,这项研究为表明 CaMKII 是一个重要的药物靶点增加了大量临床前证据,不过开发 CaMKII 药物的道路是漫长的。

 

Mark Anderson 表示,靶向心脏中的酶开发药物必须非常精确,而 CaMKII𝛿 有多种相似的形态,制造抑制剂具有挑战性,可能会造成其他副作用;另一方面,CaMKII 在学习和记忆中起着核心作用,靶向 CaMKII 的抑制剂可能会造成记忆丧失。

 

另一个难题是,碱基编辑治疗是一个不可逆转的改变,如果出现不良反应,有点“覆水难收”的意味。

 

还需要进一步研究和分析该基因编辑治疗的脱靶效应。在本论文中,研究人员检查了 8 个位点,发现了一个脱靶效应。如果要真正开发基因编辑药物,根据现在的标准,需要查看数百甚至数千个位点。

 

 

 

研究团队在论文中也表示,还必须开展工作分析碱基编辑治疗与其他心脏药物的相互作用。

 

递送技术是决定基因编辑治疗效果的关键技术之一,当前基因编辑最大的障碍也在于递送系统。在本研究中,该团队使用的递送载体采用的是 AAV,但是有业内人士指出, AAV 和基因编辑工具还不能很好结合在一起,且可能潜在引发免疫原性。

 

这说明,还需要在递送技术上下功夫,优化甚至开发出安全有效的新型递送工具。研究团队也表示,希望改进递送技术,找到一种非病毒载体递送技术。

 

基因治疗从罕见病扩展到常见病是一种趋势

 

Eric Olson 指出,论文中利用碱基编辑修改正常基因而非纠正突变,我认为还有很多有趣的可能性。

 

值得一提的是,Eric Olson 也是一名积极的创业者,他联合创办了Myogen、miRagen(现称为 Viridian)、 Exonics ( Vertex 于 2019 年收购)和 Tenaya。他也是下一代心血管公司 Cardurion Pharmaceuticals 科学顾问委员会主席,这是一家基于心血管信号通路开发创新型疗法的生物技术初创公司。

 

该公司针对心力衰竭开发了一种新疗法 PDE9 抑制剂;针对心律失常和心血管疾病开发了一种 CaMKII 抑制剂,根据官方的资料,该公司是全球首家成功将 CaMKII 抑制剂带入临床研究的生物技术公司,并于 2022 年第三季度启动 I 期临床试验。

 

▲图丨在研管线(来源:Cardurion 官网)

 

根据通讯作者 Eric Olson 的开发经验以及落地公司的转化工作,在进行大量的分析和临床试验后,研究团队极有可能推进基因编辑疗法的转化工作。“虽然这种治疗方法在应用于人类之前需要进行大量的安全性和有效性研究,但是基因编辑可以为治疗心脏病发作后患者提供一种极具前途的解决方案,并且可能具有治疗一系列其他非遗传性疾病的潜力。”

 

事实上,基因编辑治疗从罕见病逐渐走向常见病已成为一种发展策略和趋势。

 

斯坦福大学医学院助理教授丛乐也看好基因编辑在常见疾病治疗中的潜力。他认为,未来,基因编辑治疗会日渐从罕见病推广到更多常见病中,尤其可能会从一些尚无有效疗法的慢性疾病率先切入,包括高血压、心脑血管疾病等。

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