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感音神經(jīng)性耳聾的基因治療研究進(jìn)展

2017-01-11 13:56吳皓孫常領(lǐng)
關(guān)鍵詞:感音基因治療毛細(xì)胞

吳皓 孫常領(lǐng)

耳聾是人類最常見(jiàn)的致殘性疾病之一,據(jù)WHO 2013年的數(shù)據(jù),全世界范圍內(nèi)約有3.6億人遭受耳聾的困擾[1]。耳聾不但會(huì)造成嚴(yán)重的交流障礙,更為嚴(yán)重的是影響兒童的言語(yǔ)和認(rèn)知功能發(fā)育[2]。耳聾可大致分為三種類型:傳導(dǎo)性耳聾、感音神經(jīng)性耳聾和混合性耳聾[3]。其中,感音神經(jīng)性耳聾占耳聾的大部分。感音神經(jīng)性耳聾是由于耳蝸毛細(xì)胞、聽(tīng)神經(jīng)、聽(tīng)傳導(dǎo)通路各級(jí)神經(jīng)元受損害所導(dǎo)致的聲音感受與神經(jīng)沖動(dòng)傳遞障礙,其常見(jiàn)的致聾因素有耳毒性藥物使用、感染、噪聲暴露、年齡及遺傳因素等。部分感音神經(jīng)性耳聾患者可以通過(guò)藥物治療,但絕大部分患者只能依靠配戴助聽(tīng)器和/或人工聽(tīng)覺(jué)植入提高聽(tīng)力[4]。然而,無(wú)論是助聽(tīng)器,還是人工聽(tīng)覺(jué)植入,都僅僅是一種替代治療,其治療效果仍不盡如人意,功能上無(wú)法與正常聽(tīng)力相比。

基因治療是指通過(guò)操作遺傳物質(zhì)來(lái)干預(yù)疾病的發(fā)生、發(fā)展,通過(guò)替代和糾正異常的致病基因來(lái)達(dá)到治療疾病的目的[5]。近年來(lái),隨著遺傳基因與耳聾發(fā)病機(jī)制研究的不斷深入,各種耳聾動(dòng)物模型的建立,越來(lái)越多的學(xué)者試圖通過(guò)基因治療的方式來(lái)預(yù)防和治療感音神經(jīng)性耳聾。內(nèi)耳膜迷路相對(duì)封閉、處于骨性迷路的包繞之中,與周圍組織相對(duì)隔離;注入耳蝸內(nèi)的載體可以通過(guò)流動(dòng)的外淋巴液或內(nèi)淋巴液在耳蝸內(nèi)擴(kuò)散[6]。由于這些特殊的解剖和生理特點(diǎn),使耳蝸在基因治療方面擁有其它器官無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),為內(nèi)耳基因治療提供了理想的環(huán)境。本文將結(jié)合最新的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,對(duì)感音神經(jīng)性耳聾的基因治療進(jìn)展做一綜述。

1 感音神經(jīng)性耳聾基因治療的主要策略

1.1 聽(tīng)神經(jīng)的保護(hù)與再生

對(duì)于重度感音神經(jīng)性耳聾患者,目前主要的治療方法是人工耳蝸植入。然而人工耳蝸植入要求有一定數(shù)量的螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。術(shù)后效果取決于殘存螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的數(shù)量。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子如腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-3(neurotrophin-3,NT-3)有助于耳聾后螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的存活[7~8]。有學(xué)者使用新霉素致豚鼠耳聾后1周,通過(guò)腺病毒和腺相關(guān)病毒向豚鼠耳蝸內(nèi)導(dǎo)入BDNF,結(jié)果表明可有效保護(hù)螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞并且能夠促進(jìn)其神經(jīng)纖維向基底膜方向生長(zhǎng)[9]。因此,基因治療和人工耳蝸植入聯(lián)合應(yīng)用有望提高人工耳蝸植入的遠(yuǎn)期療效。

1.2 毛細(xì)胞保護(hù)與再生

毛細(xì)胞是產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)沖動(dòng)的感受器,人類的毛細(xì)胞一旦缺失,不可再生[10]。毛細(xì)胞的保護(hù)對(duì)于防止耳聾具有重要意義。現(xiàn)實(shí)生活中,大的環(huán)境噪聲、耳毒性藥物(如氨基糖苷類抗生素和順鉑)的使用均可導(dǎo)致毛細(xì)胞損傷?;蛑委熆梢酝ㄟ^(guò)表達(dá)某些具有保護(hù)作用的基因或沉默耳毒性發(fā)生過(guò)程中的某些關(guān)鍵基因起到保護(hù)毛細(xì)胞和聽(tīng)力的作用。Kawamoto以腺病毒為載體,通過(guò)在豚鼠耳蝸內(nèi)過(guò)表達(dá)銅/鋅超氧化物歧化酶(superoxide dismutase 1,SOD1),錳超氧化物歧化酶(SOD2),過(guò)氧化氫酶(catolase,CAT)成功地預(yù)防了卡那霉素導(dǎo)致的耳聾[11]。Cooper以腺相關(guān)病毒為載體通過(guò)表達(dá)X連鎖凋亡抑制蛋白(x-linked inhibitor of apoptosis protein,XIAP)來(lái)預(yù)防順鉑耳毒性[12]。Mukherjea通過(guò)鼓室內(nèi)注射小干擾RNA來(lái)拮抗NADPH氧化酶3(NADPH oxidase 3,NOX3)來(lái)阻止注射順鉑后氧自由基的產(chǎn)生,從而預(yù)防毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)節(jié)的損傷[13]。

一旦毛細(xì)胞發(fā)生死亡,治療的重點(diǎn)就從毛細(xì)胞的保護(hù)轉(zhuǎn)移到再生。隨著毛細(xì)胞再生研究的深入,已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)潛在的基因治療靶點(diǎn),其中最有代表性的是Atoh1基因[14]。Atoh1基因是毛細(xì)胞分化所必需的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,已經(jīng)有多項(xiàng)動(dòng)物研究證明在內(nèi)耳進(jìn)行Atoh1基因的過(guò)表達(dá),通過(guò)Corti器支持細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化實(shí)現(xiàn)了耳蝸和前庭毛細(xì)胞再生[15~17]。

1.3 遺傳性耳聾的基因治療

與其他致病因素導(dǎo)致的耳聾不同,遺傳性耳聾的基因治療不能通過(guò)毛細(xì)胞的再生來(lái)實(shí)現(xiàn),而需要通過(guò)導(dǎo)入野生型的基因取代或補(bǔ)充致病基因的功能。近幾年來(lái)遺傳性耳聾的基因治療研究取得了很大的突破,已經(jīng)有多項(xiàng)研究通過(guò)基因治療的方式逆轉(zhuǎn)了遺傳性耳聾小鼠動(dòng)物模型的聽(tīng)力表型。包括GJB6、VGLUT3、TMC、KCNQ1在內(nèi)的基因敲除小鼠,都通過(guò)向耳蝸內(nèi)導(dǎo)入相應(yīng)的野生型基因,成功地保留了部分聽(tīng)力[18~21]。這一系列研究成果預(yù)示基因治療有望成為治療遺傳性耳聾的有效方法。

2 感音神經(jīng)性耳聾基因治療載體

基因治療的開(kāi)展首先需要有理想的基因治療載體,目前常見(jiàn)的基因載體有病毒載體和非病毒載體兩大類。由于轉(zhuǎn)染效率較高,病毒載體是應(yīng)用最為廣泛的載體。用作耳聾基因治療載體的病毒主要有腺病毒、腺相關(guān)病毒、慢病毒、單純皰疹病毒、逆轉(zhuǎn)錄病毒等。其中最為常用的是腺病毒和腺相關(guān)病毒。

2.1 腺病毒(adenovirus,AV)

腺病毒具備①感染非分裂和分裂細(xì)胞;②可高效、迅速地傳遞和表達(dá)基因;③易于制備;④基因組不整和進(jìn)入宿主染色體而相對(duì)安全等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于內(nèi)耳基因治療的研究中[22]。Raphael通過(guò)圓窗膜注射的方法,將載有大腸桿菌β-半乳糖(LacZ)的腺病毒導(dǎo)入鼓階內(nèi),結(jié)果顯示耳蝸毛細(xì)胞、支持細(xì)胞、螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、血管紋、前庭膜、螺旋韌帶均被轉(zhuǎn)染,其中以螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率最高[23]。其他研究也證實(shí)了腺病毒經(jīng)鼓階鉆孔途徑可以成功轉(zhuǎn)染包括毛細(xì)胞、螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞以及支持細(xì)胞在內(nèi)的多種內(nèi)耳細(xì)胞[24,25]。但是腺病毒有一定的毒性,免疫源性較強(qiáng),并且只能實(shí)現(xiàn)目的基因的短暫表達(dá)(1個(gè)月),因此應(yīng)用受到了很大限制[23,26]。

2.2 腺相關(guān)病毒(adeno-associated virus,AAV)

AAV無(wú)致病性和毒性,因被轉(zhuǎn)染的基因整合入宿主的基因組內(nèi),所以能夠長(zhǎng)時(shí)間表達(dá)[27]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明,AAV既能夠感染毛細(xì)胞,又能夠感染支持細(xì)胞[19~21]。不同血清型的AAV對(duì)耳蝸內(nèi)細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率也不相同,Askew通過(guò)小鼠耳蝸組織體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明,在AAV1、2、6、8、9血清型中,AAV1/2對(duì)毛細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率最高,體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)[20]。但是,腺相關(guān)病毒DNA裝載量有限,制備比較困難,并且會(huì)引起宿主的免疫反應(yīng),限制了其應(yīng)用[28]。

2.3 非病毒載體

與病毒載體相比較,非病毒載體具有諸多的優(yōu)勢(shì),例如制備簡(jiǎn)單,毒性低,不會(huì)誘發(fā)宿主的免疫反應(yīng),對(duì)攜帶基因容量沒(méi)有限制,可以通過(guò)生物學(xué)改造來(lái)獲得多種生物學(xué)特性等。非病毒基因載體主要有陽(yáng)離子脂質(zhì)體、陽(yáng)離子聚合物、納米材料。近年來(lái)用于內(nèi)耳基因治療的非病毒載體主要有聚乙烯亞胺(polyethylene imine,PEI)[29]、聚酰胺-胺型樹(shù)狀物(PAMAM-D)[30]、羥基磷灰石納米顆粒[31]、四氧化三鐵納米顆粒等[32],但這些非病毒載體的轉(zhuǎn)染效率相對(duì)較低。

理想的基因治療載體應(yīng)該具備以下條件:①在體內(nèi)能夠?qū)NA準(zhǔn)確送入靶細(xì)胞和靶組織;②能夠?qū)NA轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞核并高效表達(dá);③轉(zhuǎn)染效率較高,強(qiáng)度和時(shí)間可控;④安全性高;⑤易于大規(guī)模制備。現(xiàn)階段,無(wú)論是病毒載體還是非病毒載體都還無(wú)法滿足上述條件,感音神經(jīng)耳聾基因治療的開(kāi)展,仍需要探索新型的基因載體。

3 感音神經(jīng)性耳聾基因治療載體導(dǎo)入途徑

內(nèi)耳血迷路屏障的存在、骨性結(jié)構(gòu)包裹以及淋巴液流動(dòng)的特點(diǎn)使得內(nèi)耳適合于基因治療。同時(shí),也使得如何安全、高效地將目的基因轉(zhuǎn)入至耳蝸內(nèi)成為一個(gè)難題。因此,探索一條安全有效的內(nèi)耳基因轉(zhuǎn)移方法是開(kāi)展內(nèi)耳基因治療的重要前提之一。目前在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中常用的基因?qū)胪緩接幸韵聨追N:①經(jīng)耳蝸開(kāi)窗;②經(jīng)半規(guī)管開(kāi)窗;③經(jīng)圓窗膜注射;④經(jīng)完整圓窗膜滲透。

3.1 耳蝸開(kāi)窗

經(jīng)耳蝸開(kāi)窗后,可以行鼓階或中階注射,相對(duì)于鼓階注射,中階注射能更加直接地將目的基因?qū)雰?nèi)淋巴,轉(zhuǎn)染效率也更高,文獻(xiàn)報(bào)道經(jīng)中階注射AAV后幾乎可以轉(zhuǎn)染耳蝸內(nèi)所有類型的細(xì)胞。然而,無(wú)論是鼓階注射,還是中階注射均會(huì)造成一定程度的聽(tīng)力損失[33]。

3.2 半規(guī)管開(kāi)窗

半規(guī)管開(kāi)窗路徑主要是在后半規(guī)管開(kāi)窗,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明此種路徑對(duì)聽(tīng)力的影響較小,但是,經(jīng)此路徑主要轉(zhuǎn)染前庭細(xì)胞,較少轉(zhuǎn)染耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞和支持細(xì)胞[24,34]。

3.3 經(jīng)圓窗膜注射

將AAV經(jīng)圓窗膜注射途徑導(dǎo)入鼓階后,目的基因可以表達(dá)于外淋巴間隙的間皮細(xì)胞,內(nèi)、外毛細(xì)胞,支持細(xì)胞,螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞[35]。但是經(jīng)圓窗膜注射容易造成圓窗膜的破裂,形成外淋巴瘺,也會(huì)對(duì)聽(tīng)力造成輕微的影響[19]。

3.4 經(jīng)圓窗膜滲透

經(jīng)完整圓窗膜滲透可以通過(guò)鼓室內(nèi)注射或者耳后切開(kāi)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn),操作簡(jiǎn)單,對(duì)聽(tīng)力影響小,是向內(nèi)耳導(dǎo)入基因最為理想的一條途徑。圓窗膜是位于中耳與內(nèi)耳之間的唯一膜性結(jié)構(gòu),在正常情況下是一半透膜,通透性大小主要與滲透分子的大小、構(gòu)型、濃度、脂溶性、所帶電荷有關(guān)。許多種物質(zhì)包括水、離子、大分子(如毒素)、抗生素、直徑小于1μm的微球都能透過(guò)圓窗膜進(jìn)入內(nèi)耳[36]。然而,作為耳聾基因治療常用載體,病毒卻不易透過(guò)圓窗膜。因此,許多學(xué)者嘗試采用易化劑(透明質(zhì)酸、膠原酶等)來(lái)增加圓窗膜的通透性。Shibata等發(fā)現(xiàn)使用透明質(zhì)酸預(yù)先處理圓窗膜可以明顯增加圓窗膜對(duì)腺病毒的通透性,從而提高腺病毒在耳蝸內(nèi)的轉(zhuǎn)染效率[37]。國(guó)內(nèi)王慧和夏力使用膠原酶處理圓窗膜后,通過(guò)圓窗膜滲透途徑向豚鼠和小鼠耳蝸內(nèi)導(dǎo)入AAV,取得了和經(jīng)圓窗膜注射途徑類似的轉(zhuǎn)染效率[35,38]。

4 展望

感音神經(jīng)性耳聾基因治療的基礎(chǔ)研究雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,但是要實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化還有很長(zhǎng)的一段路要走。目前限制基因治療向臨床轉(zhuǎn)化的主要障礙是缺乏理想的基因載體和基因?qū)胪緩健"倩蛑委熭d體;鑒于非病毒載體的安全性較高,相對(duì)于病毒載體而言,非病毒載體更有希望成為耳聾基因治療的理想載體。非病毒載體的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)染效率較低和缺乏靶向性,如何提高非病毒載體的轉(zhuǎn)染效率和靶向性是今后研究的熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)納米粒子表面進(jìn)行多種修飾(如穿膜肽[39]和靶向配體[40])的多功能復(fù)合基因載體也許是人類基因治療載體發(fā)展的方向。②基因?qū)胪緩剑荒壳白钣邢MM(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化的基因?qū)胪緩绞墙?jīng)完整圓窗膜滲透。病毒載體通過(guò)新型易化劑對(duì)圓窗膜進(jìn)行預(yù)處理;非病毒載體通過(guò)改變粒徑,表面電荷,連接穿膜肽等方法有望進(jìn)一步提高圓窗膜滲透途徑的轉(zhuǎn)染效率。如果上述問(wèn)題能夠得到解決,我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)基因治療將成為治療感音神經(jīng)耳聾的有效方法。

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Atoh1過(guò)表達(dá)水平對(duì)異位耳蝸毛細(xì)胞樣細(xì)胞的prestin表達(dá)及纖毛形態(tài)的影響
耳蝸毛細(xì)胞再生機(jī)制研究最新進(jìn)展
鳥綱類生物雞用于耳蝸毛細(xì)胞再生領(lǐng)域研究進(jìn)展
讓魚兒自己咬鉤
洪專:中國(guó)基因治療領(lǐng)域的引路人
不同劑量糖皮質(zhì)激素在急性低頻下降型感音神經(jīng)性耳聾治療中的療效比較
基因修飾的臍血MSCs移植對(duì)帕金森病大鼠旋轉(zhuǎn)行為研究