獨家專訪 | 港科大團隊開發全腦基因編輯技術，可跨越血腦屏障，已驗證可改善小鼠AD癥狀
根據世界衛生組織的數據，隨著世界人口老齡化，每年有近 1000 萬阿爾茨海默癥新增病例。傳統的阿爾茨海默癥治療藥物只能緩解癥狀而不能改變疾病，因此科學家們開始尋找替代策略。在使用 CRISPR-Cas9 進行基因編輯方面取得突破后，該技術因其在操縱影響疾病的基因方面的潛力而引起了人們的興趣。然而，過去 15 年中有超過 400 項失敗的臨床試驗。最近的一項分析表明，2002 年至 2012 年期間涉及阿爾茨海默癥的藥物臨床試驗成功率僅為 0.4%，失敗率高達 99.6% 。近 20 年來，也只有渤健頗有爭議的新藥獲得 FDA 批準上市。為攻克這一難題，今年 4 月，美國國立衛生研究院同意，召集阿爾茨海默氏癥和干細胞研究人員，共同開展有史以來最大的基因組編輯項目。該計劃旨在幫助科學家更好地了解基因突變如何導致阿爾茨海默癥的腦細胞損傷疾病和其他癡呆癥。近日，由香港科技大學領導，美國加州理工學院以及中國科學院深圳先進技術研究院的研究團隊合作開發了一種新型全腦基因編輯技術，不僅可以跨越血腦屏障，還可以提供優化的基因組編輯系統。該技術已在小鼠模型中證明可以改善阿爾茨海默癥的病理癥狀。與此同時，科學家們還在小鼠模型中發現，淀粉樣蛋白（一種被認為是驅動 AD 神經變性的蛋白質）在治療后 6 個月內（約為正常壽命的三分之一）保持低水平，這表明單次基因組編輯策略具有持久的效果。更重要的是，到目前為止，在小鼠中沒有發現任何副作用。這項研究以題為“Brain-wide Cas9-mediated cleavage of a gene causing familial Alzheimer’s disease alleviates amyloid-related pathologies in mice”發表在 Nature Biomedical Engineering 上。圖 | 葉玉如教授（右二）及團隊成員（來源：受訪者）香港科技大學的葉玉如教授告訴生輝，“我們的全腦基因編輯系統是首次通過靜脈 AAV 遞送 Cas9 蛋白并實現高效的全腦基因編輯。實現了非侵入性的、長期且高效的、全腦范圍的對家族性 AD 的精準治療手段。”葉玉如是中國科學院院士、發展中國家科學院院士、美國國家科學院外籍院士、香港科學院創院院士，以及香港科技大學晨興生命科學教授、博士生導師、副校長。其研究主要集中于神經系統的發育和功能，以及阿爾茨海默癥、帕金遜癥等神經退行性疾病的藥物研發。首次非侵入方式實現全腦基因編輯
葉玉如：我們開發了一種新型跨血腦屏障的全腦基因編輯系統，通過非侵入式的靜脈注射途徑給藥，突破以往常規的腦定位局部注射、腦脊液注射等侵入式的基因治療給藥方式。首次成功通過靜脈注射實現高效的全腦基因編輯，長期緩解了阿爾茨海默癥的相關病理，并提高認知能力。通俗來說，基因中的致病突變類似寫文章中的錯別字，基因編輯類似錯別字的修正。以往的局部注射只能修改一個段落的錯別字，而現在的全腦基因編輯可以做到一次性修改一本書的錯別字，大幅度提高了修改效率。生輝：腺相關病毒目前仍是體內主要的遞送工具，但是穿越血腦屏障也是遞送中的一大難點。論文中顯示，團隊采用 AAV 遞送基因編輯工具穿越血腦屏障，請問具體是如何實現的？葉玉如：我們和加州理工大學的 Viviana Gradinaru 教授合作解決腺相關病毒（AAV）穿越血腦屏障這一難點。他們開發了名為 M-CREATE，基于 Cre 重組的 AAV 靶向進化（Cre recombination-based AAV targeted evolution, CREATE）的篩選病毒衣殼的技術，從而篩選出更加高效地轉導體內表達 Cre 的細胞群體的 AAV 病毒衣殼。他們利用 M-CREATE 整合新一代的測序技術、合成文庫生成及專用的分析通路技術，識別能廣泛轉化中樞神經系統的衣殼突變體，并通過對數千種其它衣殼突變體的適合度進行排序，篩選出了能夠進入血液中并自由通過血腦屏障的新的衣殼，制備出了跨越血腦屏障的新型 AAV，實現了只需一針注射，就能非侵入、高效地將效應基因傳遞至大腦特定細胞類型的提送能力。生輝：論文中提到，優化了基因編輯工具，請問是如何優化的？與現有的基因編輯工具相比，有什么優勢？葉玉如：優化基因編輯工具是實現全腦基因編輯的關鍵。我們對基因編輯工具的優化主要體現在兩個方面。一方面是我們的基因編輯體系是一體化的（all-in-one）。目前常用于基因編輯的 CRISPR/Cas9 系統是改良自釀膿鏈球菌，其大小超出了腺相關病毒的包裝限制，通常需要兩個腺相關病毒分別遞送 Cas9 蛋白和向導 RNA（guide RNA）。這大大降低了體內編輯效率，無法實現對病理癥狀的有效治療。而我們用的新型 CRISPR/Cas9 系統，是改良自金黃葡萄球菌，其大小可以實現 all-in-one 腺相關病毒介導的基因編輯，大幅度提高體內基因編輯效率。另一方面，我們在腺相關病毒 5kb 的載體限制范圍內，增加了 CRIPSR 活性的“增強子”，有效增強了 CRISPR/Cas9 系統的表達能力，使我們的基因編輯工具在基因遞送拷貝數較低的條件下仍然能高效表達。對基因編輯工具的優化解決了全腦基因編輯體系“卡脖子”的技術難點，在全腦實現高效基因編輯并改善 AD 神經退行病變的病理癥狀。葉玉如：在研究過程中我們遇到了許多的困難。其中印象最深刻的是最初的時候我們的全腦基因編輯系統無法有效地進行基因編輯。我們對比了其他的一些能全腦表達的載體，才發現我們的基因編輯系統缺失了一個能在基因遞送拷貝數較低的條件下增強基因表達的一個元件。這個元件的缺失在對局部腦區進行基因編輯的情況下是不會造成很大的影響的。這告訴我們在開發新技術的時候要注意到方方面面，往往細節決定成敗。“將關注全腦基因編輯的安全性”
生輝：阿爾茨海默癥在學術界乃至產業界，在近 20 年里，只有渤健頗受爭議的新藥獲得 FDA 批準上市，目前熱門的 tau 蛋白假說和 Aβ 假說也未得到驗證，請問，您在編輯相關基因的時候，如何選擇基因？出于什么考慮？葉玉如：越來越多研究表明阿爾茨海默癥是一種病因復雜的腦疾病，無法找到一個通用的發病假說或藥物治療所有患者，因此亟需針對疾病亞型開發精準的治療方法，比如說家族性阿爾茨海默癥 (FAD)這種與家族史高度相關的先天性的阿爾茨海默癥的遺傳病因是明確的，而且可以通過基因測序進行早期診斷，目前針對這一類 AD 患者缺乏有效的治療方法。位于淀粉樣前體蛋白、早老素 1 和早老素 2 的 FAD 遺傳突變可以直接導致阿爾茨海默癥的相關病癥。所以，我們認為直接消除或修復 FAD 遺傳突變，從根源上治療和緩解 FAD，可以成為治療 FAD 的精準干預策略。據估計，現在中國有超過 500,000 名潛在的 FAD 患者。我們是希望能夠給這類患者提供治療機會。葉玉如：正如同我們剛剛說到的那樣，家族性阿爾茨海默癥 (FAD) 是與家族史高度相關的一類阿爾茨海默癥，是由淀粉樣前體蛋白 (APP)、早老素 1 和早老素 2 的基因突變引起，導致淀粉樣蛋白 β（Aβ）過度產生的遺傳病。盡管 FAD 的病因相對清楚而且可以在認知障礙發生之前進行診斷，但目前尚無針對 FAD 的有效治療方法。CRISPR/Cas9 等基因編輯技術的發展使得通過精準治療直接消除或修復遺傳突變，從根源上治療和緩解遺傳病成為可能。但由于 FAD 產生的神經退行性病變廣泛影響大腦皮層和海馬等多個腦區，單一的腦定位局部注射無法對像 FAD 這樣影響多個腦區的疾病產生廣泛且有效的治療效果。因此，我們希望能夠實現全腦范圍的高效基因編輯，改善 AD 的病理癥狀，修復 AD 認知功能障礙。生輝：論文中表示，在基因編輯后，大腦中被認為引發 AD 神經退行病變的淀粉樣蛋白斑塊，仍然保持較低水平，這是否意味著只能減緩 AD 的發生，并不能完全阻止或者中止？葉玉如：可以這樣說。一方面是因為我們是在小鼠開始產生淀粉樣蛋白斑塊后開始治療，接受了基因編輯的細胞會停止產生淀粉樣蛋白斑塊。但原有的淀粉樣蛋白斑塊無法通過基因編輯直接消除；另一方面，β-淀粉樣蛋白（Aβ）在腦內的產生和清除一直處于動態平衡，FAD 的發生是由于平衡被打破，我們的研究表明將 Aβ 保持在較低水平，可以重新恢復 Aβ 產生和清除的平衡，并在 AD 小鼠中產生長期治療效果。所以，對于 AD 患者來說，及早治療是至關重要的。特別是 FAD 患者是可以在認知障礙發生之前進行診斷的，相信及早治療會有效提高治療效果。圖 | 患有神經退行病變的小鼠大腦（左圖）中存有大量被認為是引發AD元兇的淀粉樣蛋白斑塊，在進行基因編輯治療后，相關的白色陰影明顯下降（右圖）生輝：利用基因編輯的方式糾正引發疾病的基因突變，能夠達到一次治療、長期有效，但是，如果基因編輯有誤，后續無法校正，這也是現在 RNA 編輯比較熱門的原因，請問你如何看待這個問題？葉玉如：基因編輯和 RNA 編輯各有利弊?；蚓庉嬙凇耙淮沃委煛㈤L期有效” 方面有它的獨特的優勢。雖然基因編輯如果出錯，后續很難校正，但是在基因編輯作為治療手段進入臨床試驗之前，會在細胞系、動物模型中進行大量的安全測試，在確保安全有效的前提下，才會對患者進行治療。所以能夠進入臨床的基因編輯手段應該是安全無誤的。RNA 編輯確實因為持續時間比較短，所以如果出現錯誤，可以及時停止。但是 RNA 編輯對于那些長期影響生活的疾病的治療效果可能就沒有基因編輯的效果好，需要反復給藥?？偟膩碚f，基因編輯對于長期影響生活的疾病可能會更合適一些，而RNA編輯可能對階段性發病的疾病比較合適。另一方面，基因編輯和 RNA 編輯的安全性還需要更多的實驗驗證，將基因編輯和RNA編輯運用于臨床還有很長的路要走。葉玉如：正如同我們剛剛說到的那樣，基因編輯的安全性需要更多的實驗驗證。我們下一階段的研究計劃就會著重關注全腦基因編輯的安全性。我們也會觀察全腦基因編輯對 AD 小鼠的長期影響。同時我們會利用不同種類的 CRISPR/Cas9 系統對所有的 FAD 遺傳突變做一個系統性的篩查，確保我們能利用 CRISPR/Cas9 系統消除或修復每個遺傳突變，實現全覆蓋的精準化個性化治療。生輝：實驗室的其它課題能否分享一下？可能有哪些臨床應用？葉玉如：我們實驗室致力于實現針對阿爾茲海默癥的多種關鍵靶點的藥物研發。除了新型的基因治療手段之外，實驗室也在篩選和研發傳統的小分子和抗體治療藥物，例如：白細胞介素-33 靶向降低腦中整體炎癥反應的水平；從中藥中篩選得到的鉤藤堿可以抑制 EphA4 受體活性，提高突觸可塑性。除了藥物研發之外，我們還在研究 AD 患者的遺傳信息和血漿里的生物標志物信息。我們也希望通過整合這些信息可以實現阿爾茲海默癥的早期診斷。畢竟，對于 AD 患者來說，及早治療是至關重要的。參考資料：
- Yangyang Duan, Tao Ye, Zhe Qu, Yuewen Chen, Abigail Miranda, Xiaopu Zhou, Ka-Chun Lok, Yu Chen, Amy K. Y. Fu, Viviana Gradinaru, Nancy Y. Ip. Brain-wide Cas9-mediated cleavage of a gene causing familial Alzheimer’s disease alleviates amyloid-related pathologies in mice. Nature Biomedical Engineering, 2021; DOI: 10.1038/s41551-021-00759-0
- https://www.synthego.com/blog/alzheimers-crispr
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