裘依辰等開發(fā)新型基因療法，按需治療癲癇等大腦紊亂疾病

癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導致間歇性神經(jīng)精神回路障礙的一種慢性疾病?，F(xiàn)有的藥物治療側(cè)重于減少發(fā)作頻率和/或嚴重程度，但通常療效有限，甚至有高達30%的患者對藥物治療沒有反應。基因治療是治療癲癇比較有前途的策略，因為該療法能夠以區(qū)域特異性和細胞類型特異性的方式調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性。然而，目前的實驗性基因治療無法區(qū)分參與觸發(fā)神經(jīng)精神回路發(fā)作的神經(jīng)元和健康的神經(jīng)元，導致了不必要的傷害。因此，需要開發(fā)一種只選擇治療那些與產(chǎn)生病理有關的神經(jīng)元。

該研究提出了一種基于腺相關病毒 （AAV） 的基因療法， 通過利用響應癲癇相關活動而增加的生化信號降低了神經(jīng)元的興奮性，從而在不干擾正常行為的情況下產(chǎn)生持久的抗癲癇療效 。該療法已在小鼠和人類迷你大腦癲癇模型中進行了測試，并得到了有希望的結(jié)果。

這些結(jié)果表明，這種活性依賴基因療法是一種有前途的按需細胞自主治療腦回路疾病的方法。

在之前的研究中，該團隊研究的基因療法是使用組成型啟動子來驅(qū)動轉(zhuǎn)基因的表達。這種基因治療的關鍵是建立一些可以通過電活動調(diào)節(jié)的元件。例如，在化學遺傳學中，基因治療，但通過藥物控制療效可以在治療窗口中有更多的空間，而不會受到病毒載體劑量的影響。然而，化學遺傳學并沒有實現(xiàn)讓治療自動開啟和關閉的目標。

該團隊此前提出使用即刻早期基因 （IEG） 的啟動子來標記神經(jīng)元。IEG 似乎是保守的，可以通過調(diào)節(jié)其他基因的表達來響應活性。已知有幾種生化途徑聚集在 IEG 上。這些活性依賴性基因通過鈣或神經(jīng)遞質(zhì)響應強烈的神經(jīng)元活動而開啟，并調(diào)節(jié)其他基因的轉(zhuǎn)錄。IEG 啟動子以前還被用于驅(qū)動光遺傳學工具的表達以操縱記憶。

該研究共同通訊作者 Dimitri Kullmann 表示， 使用 IEG 啟動子后，如果癲癇消失，轉(zhuǎn)基因表達就會下降，然后恢復到基線狀態(tài)，就好像神經(jīng)元沒有被修改過一樣。但這種對大腦不可逆轉(zhuǎn)的操作令人擔憂。因為對于參與癲癇發(fā)作的神經(jīng)元來說，不知道是該方法觸發(fā)了癲癇發(fā)作，還是下游神經(jīng)元傳播了癲癇。關鍵的是，當癲癇發(fā)作時，IEG 啟動的動態(tài)范圍與神經(jīng)元極其強烈的活動有關。我們經(jīng)常被問及IEG是否足夠“即刻”。它們開啟的時間超過了半小時，而典型的癲癇發(fā)作持續(xù)時間通常不到半小時。我們不可能阻止的癲癇發(fā)作。因此，我們的策略是要防止下一次癲癇發(fā)作。

在這項新研究中，研究團隊使用了 IEG 的基因產(chǎn)物 cFos 啟動子 驅(qū)動離子通道的轉(zhuǎn)錄以穩(wěn)定神經(jīng)元的興奮性。此前有研究表明，從接受癲癇手術患者身上提取的組織中檢測到 cFos，而且，患者手術前大腦中的病理活動與 cFos 的表達量相關。

研究人員創(chuàng)建了一個新的結(jié)構(gòu)，其中 cFos 啟動子驅(qū)動工程鉀通道 （EKC） 的表達。當其過度表達時，該通道會降低神經(jīng)元興奮性和突觸神經(jīng)遞質(zhì)釋放。

然后，他們使用 AAV 在廣泛表征的 IEG c-Fos 的啟動子下表達一種不穩(wěn)定的熒光報告綠色熒光蛋白 （dsGFP） ，并驗證了 dsGFP 的表達在體外動態(tài)跟蹤癲癇樣網(wǎng)絡活動。

在小鼠實驗中通過許多不同的復雜行為測試，研究人員證明，這種方法特定于參與病理網(wǎng)絡活動的神經(jīng)元，但也會有時間限制。因為轉(zhuǎn)基因表達僅在神經(jīng)元過度活躍時才會持續(xù)。與此前使用組成型啟動子或廣泛使用的抗癲癇藥物進行的基因治療相比，這種新療法使動物癲癇發(fā)作頻率更大幅度的降低，并且對正常行為沒有有害影響。

接下來，該團隊成功將這個新的基因治療系統(tǒng)應用于培養(yǎng)皿中的人類迷你大腦。在人類皮層集合體 （hCA） 中有效的初步證據(jù)強調(diào)了該策略轉(zhuǎn)化的潛力。

研究團隊認為，鑒于活性依賴性基因治療的組分是正常哺乳動物的遺傳元件，而且可以包裝在臨床上耐受性良好的腺相關病毒 （AAV） 載體中。這為進行人體臨床試驗奠定了良好的基礎。裘依辰表示，目前已經(jīng)收集到了很好的數(shù)據(jù)，表明這一療法不會產(chǎn)生行為脫靶效應，但真正進行人體臨床實驗還有很長的路要走。