2020-06-12
在已知的6 000多種遺傳病中, 目前只有大約5%的疾病可以通過(guò)小分子藥物或酶替代療法進(jìn)行治療,超過(guò)95%的遺傳疾病無(wú)有效的治療方案, 治愈更是無(wú)從談起。基因治療為遺傳疾病帶來(lái)了希望,尤其對(duì)于單基因罕見(jiàn)病,基因治療提供了一種從根本上治愈遺傳疾病的可能,即僅需一次治療就可以達(dá)到終身治愈的目的。近幾年來(lái)基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展,迎來(lái)了一個(gè)全新的時(shí)代,以CRISPR/Cas9、單堿基編輯、CART等技術(shù)引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)變革越來(lái)越烈,讓我們看到這些新興技術(shù)的巨大潛力,并激發(fā)了無(wú)限的機(jī)遇。
邦耀生物自2013年成立以來(lái),一直聚焦于基因編輯和基因治療領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展,基于基因編輯和基因治療的技術(shù)正在不斷取得各種突破并逐步走向成熟。特別是近1年來(lái),邦耀已在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Biotechnology、Nature Medicine、Nature Cell Biology、Cell Research等發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文,特別是在單堿基編輯工具開發(fā)領(lǐng)域的相繼突破,為基礎(chǔ)研究和遺傳性疾病如β-地中海貧血的治療提供了新的發(fā)展方向和工具。
目前邦耀已自主研發(fā)并成功搭建起基因治療技術(shù)轉(zhuǎn)化平臺(tái),并且在基因編輯和基因治療領(lǐng)域已經(jīng)遞交30余項(xiàng)全球及中國(guó)專利申請(qǐng)。其中,基因治療β-地中海貧血的產(chǎn)品管線,邦耀生物采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因編輯技術(shù)重新開啟胎兒期的γ珠蛋白的表達(dá),代替有缺陷的β珠蛋白的治療方案,可以有效緩解地貧癥狀,是一種更為高效、便捷、安全且成本極低的治療手段,具有很大的臨床轉(zhuǎn)化潛力。該項(xiàng)目正與國(guó)內(nèi)多家頂級(jí)醫(yī)療單位攜手,希望借此項(xiàng)研究及其臨床實(shí)驗(yàn)的推廣,使得基于基因編輯的基因治療成為我國(guó)β-地中海貧血患者全新的臨床治療方案,并有望實(shí)現(xiàn)“一次治療終身治愈”的療效。
值得一提的是,除了重點(diǎn)布局在地中海貧血的產(chǎn)品管線,邦耀也正在積極拓展其他遺傳疾病領(lǐng)域。2020年5月,邦耀生物科學(xué)家劉明耀教授及李大力教授團(tuán)隊(duì),先后在基因治療和腎臟疾病頂級(jí)雜志Molecular Therapy和Kidney International發(fā)文,表明基因治療在I型酪氨酸血癥、I型原發(fā)性高草酸尿癥等遺傳疾病中的巨大潛力。
2020年5月7日,基因治療頂級(jí)雜志Molecular Therapy在線發(fā)表了題為“Amelioration of an Inherited Metabolic Liver Disease through Creation of a De Novo Start Codon by Cytidine Base Editing”的研究論文。該研究利用重組腺相關(guān)病毒(rAAV)遞送拆分型胞嘧啶單堿基編輯工具BE4max,成功治愈了Ⅰ型酪氨酸血癥(HTⅠ)小鼠。該研究首次開創(chuàng)性地利用單堿基編輯技術(shù)在小鼠基因組上引入功能性元件來(lái)治療遺傳疾病,通過(guò)單堿基編輯在起始密碼子突變的延胡索酰乙酰乙酸水解酶(Fah)基因的5’UTR引入一個(gè)全新的起始密碼子,重新開啟該基因的表達(dá),成功治愈了因缺失該酶而出現(xiàn)嚴(yán)重肝損傷的HTⅠ小鼠。華東師范大學(xué)楊磊,王立人和霍雅楠為本文共同第一作者。
I型酪氨酸血癥
Ⅰ型酪氨酸血癥(HTⅠ)是一種罕見(jiàn)的常染色體隱性遺傳疾病,由于缺失酪氨酸代謝途徑中最后一步反應(yīng)所需的延胡索酰乙酰乙酸水解酶(FAH),使得酪氨酸代謝受阻,導(dǎo)致延胡索酰乙酰乙酸(Fumarylacetoacetate,F(xiàn)AA)、馬來(lái)酰乙酰乙酸(Maleylacetoacetate,MAA)和琥珀酰丙酮(Succinylacetone,SA)等有毒代謝產(chǎn)物的積累,造成嚴(yán)重的肝腎損傷。目前HTⅠ的發(fā)病率為1/12000到1/100000之間, 若不給予任何治療,患兒通常在一歲內(nèi)就會(huì)死亡。
現(xiàn)有療法的缺陷:
目前,服用羥基苯丙酮酸雙加氧酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase)的抑制劑尼替西農(nóng)(NTBC)是臨床上最有效的治療方法。雖然NTBC為HTⅠ 病人提供了有效的治療,但有研究表明TNBC會(huì)影響兒童的智商,學(xué)習(xí)和社會(huì)認(rèn)知能力。
本技術(shù)方案優(yōu)勢(shì):
ClinVar 數(shù)據(jù)顯示,人類約58%的遺傳疾病是由點(diǎn)突變引起的,需要通過(guò)堿基轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行修復(fù),而HTⅠ幾乎全是由點(diǎn)突變導(dǎo)致,單堿基編輯技術(shù)的出現(xiàn)為治療HTⅠ和其他由點(diǎn)突變引起的遺傳疾病提供了一個(gè)全新的策略。HTⅠ是一個(gè)理想的基因治療模型,被修復(fù)的肝細(xì)胞具有強(qiáng)大的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),因此,只需要修復(fù)一小部分肝細(xì)胞,在不給予NBCT治療的情況下,這些肝細(xì)胞就會(huì)不斷擴(kuò)增,最終形成一個(gè)全新的健康的肝臟。
圖1:治療策略示意圖
在體外實(shí)驗(yàn)中,研究人員利用胞嘧啶單堿基編輯工具BE4max靶向HTⅠ小鼠(FahNS/NS)Fah基因突變的起始密碼子(G1TG3),但由于G1和G3都位于BE4max的編輯窗口內(nèi),導(dǎo)致G1和G3同時(shí)被編輯,不能有效形成正常的起始密碼子(A1TG3)。為了解決這一問(wèn)題,研究者另辟蹊徑,利用BE4max靶向Fah基因的5’UTR區(qū)域,試圖將距突變的起始密碼子上游12bp處的G-12TG-10轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)全新的起始密碼子(A-12TG-10),在該位點(diǎn)中,G-12位于BE4max的編輯窗口內(nèi),但G-10在編輯窗口外,經(jīng)編輯可以高效地形成起始密碼子(圖1)。采用這種策略,研究人員利用rAAV遞送拆分型BE4max到FahNS/NS小鼠肝臟,在不撤去NTBC藥水的情況下,編輯效率可高達(dá)14%,撤藥治療兩個(gè)月后編輯效率可高達(dá)40%,同時(shí)肝損傷得到顯著緩解(圖2)。
圖2:血清肝功能指標(biāo)檢測(cè)
通過(guò)檢測(cè)預(yù)測(cè)的10個(gè)脫靶位點(diǎn),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)脫靶編輯。該研究表明單堿基編輯工具可以通過(guò)rAAV遞送到肝臟并進(jìn)行高效編輯,同時(shí),通過(guò)單獨(dú)引入一個(gè)起始密碼子可以用于治療由起始密碼子突變而導(dǎo)致的遺傳疾病。
二、基因療法可以有效緩解Ⅰ型原發(fā)性高草酸尿癥
2020年5月25日,華東師范大學(xué)李大力教授團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院耿紅全團(tuán)隊(duì)合作在Kidney International發(fā)文,利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)Ⅰ型原發(fā)性高草酸尿癥(PH1)大鼠進(jìn)行代謝通路重編程,通過(guò)阻止上游Hao1基因的表達(dá)有效降低尿草酸水平,長(zhǎng)期有效地緩解疾病表征。值得一提的是,該研究報(bào)道的動(dòng)物模型是一種新的PH1大鼠模型, 在部分人源化的AGXT基因中攜帶D205N突變,出生后不久即表現(xiàn)出明顯的高草酸和結(jié)晶尿等疾病表征,相比原有的小鼠與人類PH1疾病表現(xiàn)更加接近。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院鄭銳,李約延和華東師范大學(xué)王立人為本文共同第一作者。
Ⅰ型原發(fā)性高草酸尿癥(PH1)
I型原發(fā)性高草酸尿癥是常染色體隱性遺傳疾病,由于患者體內(nèi)編碼丙氨酸/乙醛酸轉(zhuǎn)氨酶(AGT)的AGXT基因突變所致的肝細(xì)胞內(nèi)代謝異常。正常AGXT基因編碼的AGT蛋白負(fù)責(zé)將乙醛酸催化成甘氨酸,AGXT的突變導(dǎo)致患者肝細(xì)胞內(nèi)的乙醛酸無(wú)法被正常代謝,致使大量堆積的乙醛酸被氧化成草酸進(jìn)入血液循環(huán)。高濃度的草酸導(dǎo)致腎臟和尿路結(jié)石,造成泌尿系統(tǒng)梗阻、腎臟損傷和終末期腎病(ESRD),超過(guò)50%的PH1患者在30歲以前進(jìn)展為終末期腎病。
現(xiàn)有療法的缺陷:
該病目前無(wú)特效藥,保守治療效果極差,雖然肝腎聯(lián)合移植可以根治PH1,但器官供體缺乏、終身服用抗排異藥物、手術(shù)創(chuàng)傷極大等因素使得絕大多數(shù)PH1患者無(wú)法得到根治性治療。先后有研究團(tuán)隊(duì)在PH1小鼠模型(Agxt-/-)中注射載有AGXT基因的腺相關(guān)病毒(AAV)或腺病毒(Adv)進(jìn)行基因治療,草酸水平在短期內(nèi)顯著下降,但隨著患者肝臟細(xì)胞的分裂、更新,最初遞送的外源AGXT基因會(huì)逐漸丟失,治療效果也會(huì)隨之下降。需要短時(shí)間內(nèi)重復(fù)治療。另有研究顯示通過(guò)SiRNA沉默乙醛酸的上游反應(yīng)酶體乙醇酸氧化酶(由HAO1基因編碼)可以有效切斷PH1小鼠體內(nèi)的乙醛酸來(lái)源進(jìn)而降低小鼠體內(nèi)草酸水平,但該療法同樣需要重復(fù)給藥。
本技術(shù)方案優(yōu)勢(shì):
相比siRNA技術(shù)和基因替代療法,CRISPR/Cas9技術(shù)能夠更高效持久地敲除體內(nèi)的HAO1基因,免去了患者長(zhǎng)期反復(fù)用藥的負(fù)擔(dān)。首先通過(guò)CRISPR/Cas9系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)新的PH1大鼠模型,該模型在部分人源化的Agxt基因中攜帶D205N突變。AgxtD205N突變大鼠AGT蛋白表達(dá)缺失,在乙二醇負(fù)荷后1個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)高草酸尿,腎臟草酸鈣(CaOx)沉積嚴(yán)重,提示新模型相比原有的小鼠模型與人類疾病的相關(guān)性更強(qiáng)。
為了驗(yàn)證該模型是否可用于創(chuàng)新療法的開發(fā),研究人員通過(guò)AAV載體將靶向乙醇酸氧化酶的CRISPR/Cas9系統(tǒng)遞送到新生PH1大鼠體內(nèi)。結(jié)果顯示該策略在肝臟的HAO1基因中產(chǎn)生了30%的編輯效率,在12個(gè)月的研究周期內(nèi),治療組的尿草酸水平比對(duì)照組降低了42%,并防止了PH1大鼠形成嚴(yán)重的腎草酸鈣沉積。以上結(jié)果表明,這種部分人源化的AgxtD205N大鼠不僅是了解PH1病理機(jī)制的合適模型,而且能用于更多創(chuàng)新療法的開發(fā)(例如文中所展示的通過(guò)基因編輯重新編程代謝途徑)。
基因治療一直被認(rèn)為是最有可能從根本上治愈遺傳疾病的解決方案,根據(jù)2019年發(fā)布的報(bào)告,預(yù)計(jì)在未來(lái)六年內(nèi),將有大約60種基因療法產(chǎn)品獲批,這些藥物的銷售額在2024年將達(dá)到146億美元,約占全球醫(yī)藥總收入的1.2%,可見(jiàn)未來(lái)基因治療罕見(jiàn)病的廣泛應(yīng)用前景。
邦耀生物自成立以來(lái),一直放眼全球,全面布局基因治療領(lǐng)域,除了重點(diǎn)布局基因治療β-地中海貧血癥之外,同時(shí)也重點(diǎn)關(guān)注酪氨酸血癥、血友病等多種罕見(jiàn)遺傳病,未來(lái)邦耀將持續(xù)通過(guò)掌握核心技術(shù)以及生產(chǎn)能力來(lái)保證在這一賽道的競(jìng)爭(zhēng)力,如不斷優(yōu)化新型基因治療技術(shù)(編輯工具、治療基因的改造),及新型基因遞送載體的組合治療,早日為遺傳疾病患者帶來(lái)福音。
附原文鏈接:
1. Yang L, Wang L, Huo Y, et al. Amelioration of an Inherited Metabolic Liver Disease through Creation of a De Novo Start Codon by Cytidine Base Editing [published online ahead of print, 2020 May 7]. Mol Ther. 2020;S1525-0016(20)30235-5. doi:10.1016/j.ymthe.2020.05.001
2. Zheng R, Li Y, Wang L, et al. CRISPR/Cas9-mediated metabolic pathway reprogramming in a novel humanized rat model ameliorates primary hyperoxaluria type 1 [published online ahead of print, 2020 May 25]. Kidney Int. 2020;S0085-2538(20)30554-8. doi:10.1016/j.kint.2020.04.049