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shRNA表达克隆

干细胞技术与基因治疗技术联合,打造健康新生命

Jun 11, 2019 No Comments

 

强强联合,打造健康新生命1

图片展示的就是在实验室里培养的人体组织图像,其中的神经元细胞就是通过诱导干细胞分化、发育而来的。

 

 

目前,已经出现了将干细胞技术与基因治疗技术结合起来的商业化应用项目,这将给多种疾病的临床治疗工作带来革命性的改变。

David Vetter出生之后,有20秒暴露在我们这个真实的世界当中,除此之外,其它时间全都呆在封闭的“塑料世界”里,这是因为小David患有严重联合免疫缺陷病(severe combined immunodeficiency, SCID)。SCID是一种遗传性疾病,患者的免疫系统被严重破坏,功能相当低下,甚至完全没有免疫保护功能。因此,他们只能呆在全封闭的洁净舱内,避免被病原体感染。后来,小David接受了骨髓移植治疗,可不幸的是,隐藏在移植骨髓里的一种潜伏病毒夺去了他的生命。David于1984年,12岁时不幸夭折。

就在几年以前,接受骨髓移植还一直是这类患者恢复健康的唯一希望。不过现在可不一样了,干细胞和基因治疗这两大飞速发展的技术已经结合起来,让SCID患者看到了彻底治愈疾病的新希望。

不仅仅是免疫缺陷病患者,其他疾病患者,如艾滋病患者,或者血液疾病患者等也都能从这种新疗法中获益。

 

 

 

强强联合,打造健康新生命2

由于患有SCID,David Vetter出生之后就一直呆在这个封闭的洁净舱里。现在,最先进的新技术有望帮助这类病人重建机体的免疫功能。

 

 

来源

干细胞是人体内每一种细胞的源头。近十年来,科研人员已经发现了控制干细胞(包括胚胎干细胞和成体干细胞)分化过程(differentiation process)的方法,能够诱导干细胞分化为神经细胞、血管细胞和心肌细胞等各种终末细胞。

鉴于此,理论上,干细胞可以源源不断地为我们提供各种人体“建筑材料”,用健康的新细胞替换人体内生病的细胞,来治疗各种疾病。比如替换发生退行性变的神经元细胞,治疗帕金森氏病(Parkinson’s disease)等。还可以替换坏死的胰岛beta细胞,来治疗1型糖尿病,或者替换坏死的心肌细胞,治疗心肌梗死等。

科研人员除了开展干细胞研究,寻找如何提高干细胞治疗疗效的方案,同时也在开展基因治疗研究,希望修正人体内突变的致病基因,使其恢复正常,或者在人体内插入一个有益的基因,生产出有益的蛋白质产物,来治疗疾病。这两项技术结合起来,将爆发出巨大的潜力,既能够修正致病突变,又能给人体添加新的、健康的细胞。

美国哈佛大学干细胞研究中心(Harvard’s Stem Cell Institute)的副院长Doug Melton表示,生物学的基本元素其实就两个,第一是遗传密码,第二就是细胞是构成生命的基本单元。现在,这两点我们都已经掌握了,如果将它们结合在一起,那将会打造出一个前所未有的、能够操控生命的新技术。

 

修补基因组

目前,干细胞和基因治疗相结合已经有了结果,出现了第一款结合了这两项技术的商业化应用项目。新药Strimvelis于2016年在欧洲获批上市,用于治疗腺苷脱氨酶严重联合免疫缺陷病(adenosine deaminase severe combined immunodeficiency, ADA-SCID)。

ADA-SCID也是一种遗传性疾病,患者体内的ADA编码基因出现了突变,因此不能产生正常的ADA酶,而正常的ADA酶是机体维持免疫功能必不可少的要件。Strimvelis是一种基因治疗技术,它利用患者自身的造血干细胞(haematopoietic stem cell)来纠正患者体内的ADA编辑基因突变。

我们知道,病毒在感染宿主细胞之后,就会在细胞里复制,生产大量病毒的核酸遗传物质。基因疗法主要就是借助病毒来实现治疗目的,将病毒携带的目标遗传物质带入不健康的细胞,完成修复。比如,在治疗ADA-SCID时,先从患者体内采集得到干细胞,然后让携带有正常ADA基因的病毒感染这些干细胞,完成基因修复。这些改造好的干细胞被回输到患者体内,这就完成了整个基因治疗工作。

意大利San Raffaele Telethon基因治疗研究所(San Raffaele Telethon Institute for Gene Therapy in Italy)的Alessandro Aiuti回忆起了他的第一位接受Strimvelis治疗的患者。那还是在21世纪之初,干细胞回输完成之后,他们经历了焦急的等待历程,迫切的想看看结果是否如大家所愿。

Aiuti记得,当他们第一次看到术后的血细胞计数的结果时,大家那种兴奋的心情。Aiuti等人终于看到了患者体内有了新生的淋巴细胞和白细胞等免疫细胞了。然后,他们给患者接种了麻疹(measles)疫苗和水痘(varicella)疫苗,结果都产生了相应的保护性抗体。这表明,ADA-SCID患者再也不用担心病原体感染了,他们终于获得了正常的免疫保护力。

在2000年至2011年间,一共有18位ADA-SCID患者接受了Strimvelis疗法治疗,并且全都活了下来,不幸的是,在未接受治疗的对照组里,婴幼儿全都没能活过2岁。

脑白质营养不良(leukodystrophies)是一种非常罕见的神经系统退行性遗传疾病,也是非常适合采用干细胞联合基因治疗技术来干预的。异染性脑白质营养不良(metachromatic leukodystrophy)患者体内的遗传突变会导致芳基硫酸酯酶A(arylsulphatase A enzyme)缺乏,从而使患者体内缺少髓磷脂(myelin)——构成神经元轴突髓鞘的必需物质,是保护神经元突起的“盔甲”。较早发病的这类患儿,很少能够渡过儿童期。

美国Dana-Farber波士顿儿童肿瘤及血液病中心(Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center in the US)的Alessandra Biffi对这种疾病产生了兴趣。他希望通过干细胞移植,生成大量健康的小神经胶质细胞(microglia),表达出足够的芳基硫酸酯酶A,来治疗这种疾病。

但是初期的实验结果并不理想,看来仅仅补充小神经胶质细胞,还不足以生产出足够的芳基硫酸酯酶A,从而达到治疗的目的。

据Biffi介绍,他们尝试提高整个流程的效率,使用慢病毒载体(lentiviral vectors)对患者自身的干细胞进行改造,结果提高了芳基硫酸酯酶A的表达水平。

采集患者自身的造血干细胞,然后利用病毒载体植入正常的芳基硫酸酯酶A编码基因,同时还植入了另外一个基因,来提供芳基硫酸酯酶A的表达量。经过这样一番改造,这些干细胞被回输给患者之后,表达出了大量的芳基硫酸酯酶A。目前,已经招募了9名早发型患儿,来开展临床试验。

Biffi表示,实验结果非常好,如果能在患儿表现出临床症状之前就对他们进行治疗,那么就几乎不会再表现出临床症状了。

这两项临床研究使用的方法都一样,都是将改造过的干细胞回输到患者体内,然后这些干细胞就能生成新的、健康的细胞,完成治疗。

意大利Modena & Reggio Emilia大学Stefano Ferrari再生医学中心(Centre for Regenerative Medicine ‘Stefano Ferrari’ at the University of Modena and Reggio Emilia in Italy)的Michele De Luca将技术又向前推进了一步,他们使用患者自身的皮肤干细胞为原材料,培育出皮肤组织,再进行植皮,用来治疗大疱性表皮松解症(junctional epidermolysis bullosa)。

2017年,一位大疱性表皮松解症患儿接受了De Luca等人的治疗,当时这名患者已经只剩下大约20%的皮肤,生命极度垂危。De Luca等人采集了这名患者的皮肤表皮干细胞,借助病毒载体,将正常基因转入干细胞内,然后在体外培养,并大量增殖这些改造好的干细胞。患儿接受了干细胞移植之后,长出了健康的皮肤,并且再也没有发病了。

不过De Luca指出,他们的这种疗法与治疗ADA-SCID或脑白质营养不良不同,并不能彻底治愈大疱性表皮松解症,只是用纠正突变基因的方法,对受损的皮肤组织进行了修复。

 

修正点突变遗传变异

镰状细胞贫血(Sickle cell disease)是基因治疗的首选疾病,因为这只需要修正血红蛋白编码基因里一个氨基酸的编码序列就够了,而且可以治疗数百万人。

临床前小鼠动物实验表明,CRISPR–Cas9技术可以对20~25%的造血干细胞进行基因修正。美国加州大学旧金山分校Benioff儿童医院血液及骨髓移植中心(blood and bone marrow transplant programme at the UCSF Benioff Children’s Hospital in the US)的Mark Walters表示,这个修正效率,对于临床治疗来说,已经足够了。

接下来就是开展人体临床试验了,不过这种自体干细胞移植还存在一定的风险和副作用,而且我们更加不太清楚,CRISPR–Cas9技术的脱靶问题可能会带来哪些不良的结果。Walters表示,除了修正镰状细胞贫血致病突变之外,人体基因组内还有哪些序列会被改变呢?

由于基因修正试验是在体外完成的,因此,我们有机会筛选出最好的遗传改造干细胞,然后将这些细胞回输给患者。不过,这也不能保证,一定会获得好的临床结局。

Walters提醒,设想一下,有一些非常罕见的意外,而且是我们无法检测的,有可能在多年之后爆发出来。有可能在两三年之后,才发现患者的病情又进展了,这才是检验一项新的治疗手段最难的地方。这真的就是一次人体实验。 

 

 

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打造出更好的细胞

美国哈佛大学干细胞研究所的Melton等人也正在研究如何将干细胞技术与基因治疗技术更好地结合起来,不仅仅用来纠正突变的基因,还在想办法如何生产出更好的细胞。他们的研究方向是利用CRISPR–Cas9技术,让干细胞分化为能够分泌胰岛素的胰岛beta细胞,来治疗1型糖尿病。

我们知道,1型糖尿病主要是因为患者自身的免疫系统攻击了自身的beta细胞所致,所以这项工作的难点就在于,如何获得一个有正确比例的细胞组合,避免这些外源的细胞也被患者的免疫系统所消灭。有一种方案就是使用基因编辑技术,去除这些外源细胞表面的主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex, MHC),因为这些MHC就好像是一面面红旗,能够为机体的免疫系统指明攻击的方向。

据Melton介绍,这些MHC基因就好像细胞的广告牌,标明了这些细胞的身份。所以他们的第一步工作就是,利用CRISPR–Cas9技术,拆掉这些广告牌。但是人体内还有一些免疫细胞,会干掉没有这些广告牌的细胞。所以,他们接下来还得想办法解决这个问题,看看如何避免移植细胞被这些免疫细胞消灭掉。

使用类似的策略,我们也可以让人体的T细胞对HIV病毒获得“免疫力”。我们知道,HIV病毒主要通过T细胞表面的CCR5受体蛋白来感染免疫系统,因此,如果将CCR5基因突变掉,就能切断HIV病毒的感染途径,避免被感染。

著名的柏林病人(Berlin patient)在2008年接受了干细胞移植之后(用于治疗白血病),艾滋病奇迹般地痊愈了。这说明,我们有可能利用CCR5受体有突变的干细胞,来清除艾滋病患者体内的HIV病毒。美国威斯康星国家灵长类研究中心(Wisconsin National Primate Research Centre in the US)的Igor Slukvin等人正在利用CRISPR–Cas9技术对干细胞进行修改,尝试生产出CCR5受体基因突变的干细胞,看看是否真的能够治疗艾滋病患者。

Slukvin指出,你可以对这些细胞进行基因修改,让它们不再表达CCR5受体。然后诱导这些干细胞分化出白细胞,从理论上说,这些白细胞就不会再被HIV病毒感染了。Slukvin等人正在开展相关的临床试验,同时还使用另外一种技术破坏了CCR5受体基因,并开展了1期临床试验,但是试验结果尚未公布。

Biffi表示,干细胞技术结合进来之后,终于可以让我们亲眼看到,在十几年前期望出现的、基因治疗的强大功效。近几年来,基因治疗最成功的应用就集中在造血干细胞方面。我们终于看到了基因治疗的美好前景。

 

原文检索:
BIANCA NOGRADY. (2019) MARRIAGE PROMISES HEALTHY OFFSPRING. BIOMEDICAL SCIENCES | NATURE INDEX: S23-S25.

Eason/编译

 

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