一文全面了解基因治疗之腺相关病毒（AAV）知识

2024-02-23

基因疗法临床研究

嘉宾阵容以及授课话题已曝光，点击图片查询，合作热线：王晨 180 1628 8769基因治疗基因治疗是目前最热门的治疗领域之一，因为它针对的是疾病的潜在原因，而不仅仅是症状。该疗法可诱导病变细胞基因表达或沉默，已在临床前试验中取得成功，但其临床应用仍受基因载体的免疫原性、致癌性、脱靶效应和疗效等因素的限制。基因治疗成功的一个关键考虑因素是用于传递治疗性核酸以表达或沉默基因的载体。重组病毒已被用作基因治疗载体，在细胞摄取、基因整合和基因长期表达方面，特别是在机体内更有效，但具有免疫原性、潜在的致癌作用和繁琐的制造工艺。为了解决这些局限性，人们开发出了能够避免免疫反应、适应性强、质量可控的非病毒载体，但转染效率低，易导致转基因被动表达。腺相关病毒(Adeno-associated virus, AAV)在基因治疗领域的发展势头日益强劲，越来越多的临床试验将其用于各种治疗。AAV由于其较低的免疫原性和位点特异性整合能力，被认为具有较好的安全性。截至目前，FDA批准的基于AAV的基因疗法包括Sparktherapeutics的Luxturna，Avexis的Zolgensma以及欧盟批准的PTC PTC的Upstaza和BioMarin 的ROCTAVIAN，分别用于治疗遗传性视网膜疾病，脊髓性肌肉萎缩，AADC缺乏症和血友病。基本概念【腺相关病毒（Adeno-associated virus，AAV）】：目前发现结构最简单的、无包膜的单链DNA病毒，由蛋白衣壳（capside）和长度为4.7kb的单链DNA基因组构成，衣壳长度为20 ~ 25nm，属于细小病毒家族。AAV基因组两端为末端反向重复序列（inverted terminal repeat, ITR），是病毒DNA复制的起点和触发病毒包装的信号。AAV自身不能复制，必须依赖于其它病毒复制，比如腺病毒、疱疹病毒、杆状病毒，有超过80%的人携带AAV，未发现AAV与任何疾病相关。【重组腺相关病毒（Recombinant AAV，rAAV）】：经工程改造的AAV载体，它剔除了AAV基因组全部编码蛋白Rep或Cap基因序列，只在两端保留作为包装信号的反式DNA序列（即ITR）。用于基因疗法载体的重组腺相关病毒（rAAV）携带的蛋白衣壳与野生型AAV几乎完全相同，然而基因组中编码病毒蛋白的部分完全被治疗性转基因（transgene）替代。重组AAV载体介导转基因表达的过程rAAV基因治疗【rAAV基因治疗】：rAAV与慢病毒/逆转录病毒相比，rAAV感染细胞后不会与宿主基因组整合重组，从而避免产生癌症的风险。自1984年起，第一个rAAV载体被证明能转导外源基因进入哺乳动物细胞内，rAAV就作为传递基因的载体逐渐被应用于生命科学研究。根据Clinical http://Trials.gov上统计，目前有超过250多种AAV基因治疗临床项目在全球范围开展，迄今为止，美国FDA已批准了2个AAV基因治疗法：第一种为Luxturna，于2017年获得批准用于治疗莱伯氏先天性黑蒙症，这是一种遗传性视网膜疾病；第二种为Zolgensma，于2019年获得批准用于治疗小儿脊髓性肌萎缩症。2022年7月20日，PTC治疗学公司宣布欧盟已批准Upstaza (eladocagene exuparvovec)，是目前为止，第三款AAV基因疗法药物，用于治疗年龄在18个月及以上、临床、分子和遗传学确诊为AADC缺乏症并伴有严重表型的患者。Upstaza是第一种直接注入大脑的基因疗法。越来越多的重组AAV载体的安全性和有效性已在多个Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期临床试验中得到证实。2022年8月24日，BioMarin宣布，欧盟批准Roctavian(Valoctocogene roxaparvovec) 基因疗法的有条件上市，用于治疗体内不含凝血因子VIII抑制物和腺相关病毒5（AAV5）抗体的重度A型血友病成人患者。Roctavian是首款治疗血友病A的获批基因疗法。此外，欧盟还保持了该疗法的孤儿药认定并授予其10年市场独占期。至此，全球已有41款基因治疗药物获批上市。目前的病毒载体类别繁多，AAV是基因治疗病毒载体中占比最大的，除此之外还有慢病毒、逆转录病毒以及腺病毒等，不同的病毒载体具有不同的生物学特征，这里列出一些它们的生物学特征以供参考，而AAV载体相比其他慢病毒载体具有一些非常显著的优势。AAV治疗的优点【AAV载体优势】：01|高安全性和极低免疫原性野生型AAV是天然缺陷型病毒，重组AAV不整合基因组，未发现与任何疾病相关，极低免疫原性。02|感染宿主范围广AAV可以感染分裂细胞和非分裂细胞。03|高组织嗜性AAV有百种血清型，能够特异性感染不同的组织或器官。04|感染扩散能力强、特异性强AAV体积小、滴度高的特点，在体内扩散能力强，并具有较高的组织特异性。05|体内表达时间长AAV滴度可至5E+13GC/ml，并可在体内长期稳定表达。AAV基因疗法在过去几年里快速发展，并逐渐为大众所知，医学上各种罕见病和严重疾病都可以通过基因疗法提供临床诊疗方案。基因药物需要借助基因传递系统在体内传递，从而起到治疗效果，而AAV作为最有潜力的的基因传递系统之一，无疑为基因治疗插上腾飞的翅膀。rAAV基因组目前大多数基因治疗用rAAV以AAV2基因组为骨架，基因组全长为4679bp，两端为145bp的反向末端重复序列（inverted terminal repeat, ITR）, ITR序列之间为AAV病毒的编码区，含有两个开放阅读框（ORF），左侧ORF编码4种序列相互重叠的基因，分别编码Rep78、Rep68、Rep52、Rep40等四种参与病毒基因复制的蛋白，右侧ORF编码3种Cap蛋白，分别是VP1、VP2、VP3三种组成病毒衣壳的蛋白，嵌入部分编码1种AAP蛋白。该基因由复制(REP)和衣壳蛋白(CAP)两个编码区组成，并在基因组两端存在反向重复序列(ITR)。REP编码与感染、整合、复制相关的4个蛋白Rep40、Rep52、Rep68、Rep78, CAP编码VP1、VP2、VP3 3个蛋白，分别构成AAV的60-，比例为1:1:10。mer衣壳。VP3最为丰富，构成外壳结构的外部，VP1和VP2构成外壳结构的内部。AAV和AAV载体的基因组结构（图片来源：Semantic Scholar）病毒基因组中三个启动子根据它们在基因组中所处的位置被命名为p5、p19、p40，其中p5、p19负责调控Rep蛋白的表达，p40负责调控Cap蛋白的表达，三个启动子合成的mRNA共用一个polyA位点。rAAV的转导rAAV由与野生型AAV(wtAAV)中发现的相同的衣壳序列和结构组成。然而，rAAV包装的基因组删除了全部AAV蛋白编码序列，并且添加治疗性基因表达盒。唯一的病毒来源序列是ITR，它们是在载体生产过程中指导基因组复制和包装所必需的。病毒编码序列的完全去除使rAAV的包装能力最大化，并且有助于它们在体内递送时的低免疫原性和细胞毒性。rAAV最佳地装载5.0kb以下的基因组，因此必须仔细设计有效负载，不仅要考虑治疗性转基因序列，还要考虑基因表达所必需的调控元件(例如，启动子和多聚腺苷酸化信号)。一旦将rAAV施用于患者，影响基因递送效力的宿主因子就起作用。例如，新发现表明不同血清型以不同方式与血清蛋白相互作用。尽管如此，rAAV的有效性在很大程度上取决于衣壳和靶细胞表面受体之间的分子相互作用，以及随后颗粒内化后的下游事件。rAAV转导通路（图片来源：Nature Reviews Drug Discovery ）rAAV基因组的设计和开发rAAV衣壳的开发衣壳发现和工程的四种主要方法（图片来源：Nature Reviews Drug Discovery ）【rAAV基因组设计和开发的要点】：1. 控制转基因表达水平和特异性在许多情况下，rAAV基因治疗平台利用强大且普遍存在的启动子以实现高效转基因表达。这些启动子包括巨细胞病毒(CMV)启动子和与CMV增强子融合的鸡β-肌动蛋白启动子(CβA)。其他调控元件也可以增强基因表达，例如内含子和土拨鼠肝炎病毒转录后调控元件(WPRE)。此外，转基因序列本身的元件也可影响表达，例如GC含量、隐蔽性剪接位点、转录终止信号、影响RNA稳定性的基序和核酸二级结构。因此，密码子优化广泛用于rAAV基因治疗，旨在增强基因表达。在翻译水平，包含Kozak序列可以进一步增加蛋白质表达。值得注意的是，高转基因表达水平并不总是优选的。蛋白质或RNA分子的超生理表达可能是有毒的。表达特异性是基因治疗的另一个重要方面。非靶组织或细胞类型中的基因表达可能导致毒性或引发不需要的免疫应答。相关策略包括使用组织或细胞类型特异性启动子并在3'-非翻译区(UTR)中掺入miRNA结合位点以从中去除富含miRNA的细胞的表达。2. 容纳大型转基因与其他病毒载体相比，AAV载体的一个限制是它们的小包装尺寸(~5.0kb，包括ITR)。一个看似简单的解决方法是设计一个缩短版本的基因，编码截短但功能性的蛋白质。3. 增强耐久性尽管rAAV是基因治疗的有利载体，但它们仍然是非复制性附加体。因此，转导的载体基因组在有丝分裂细胞中逐渐丧失，为此已经探索在复制细胞中保留转基因表达的策略。在复制细胞类型中实现延长转基因表达的最直接方法是促进rAAV基因组整合，但这种罕见和无监督的整合事件通常导致部分基因组整合，因此不能达到理想的治疗目的。基因编辑提供了一种有希望的解决方案，通过靶向基因组整合来增强耐久性。一旦可编程核酸酶在靶基因组基因座中引入DNA断裂，宿主细胞的同源定向修复(HDR)途径可以使用rAAV基因组作为供体模板，促使治疗基因盒的精确和可遗传的插入到宿主基因组。如果核酸酶也被用于切割rAAV基因组，则可以通过同源非依赖性靶向插入将释放的携带治疗基因盒的双链线性DNA片段插入靶基因组基因座。【备注】：1. 无核酸酶同源重组定向整合作为基因编辑的替代方法获得了关注。这种现象通过将与基因组靶位点同源的侧翼片段插入载体基因组来起作用。通过这种方式，可以实现序列的稳定整合，而无需通过核酸酶引入DNA断裂。2. 已经探索了通过将支架/基质附着区(S/MAR)序列插入构建体中，以使游离体形式能够在转导细胞中复制的策略。S/MARs在质粒构建中的应用已经被用于数百个细胞的长期基因表达。AAV基因的临床转化AAV基因治疗的临床项目可在http://ClinicalTrials.gov中查询部分rAAV基因治疗临床试验概况（图片来源：Nature Reviews Drug Discovery）部分临床试验列表（图片来源：Nature Reviews Drug Discovery）考虑到AAV的天然趋向性和未满足的医疗需求，大多数rAAV基因治疗计划集中于肝脏、横纹肌和中枢神经系统(CNS)。几乎所有天然AAV衣壳都可以在全身给药后有效地转导肝脏。因此，rAAVs提供了一个强大的肝靶向平台来治疗各种疾病，如A型血友病和B型血友病、家族性高胆固醇血症、鸟氨酸转氨甲酰酶缺乏症和Crigler-Najjar综合征。诸如AAV8和AAV9的衣壳，可以靶向全身的多种肌肉类型，使得能够针对多种肌肉疾病开发rAAV基因疗法，特别是那些影响全身肌肉的疾病，例如DMD。值得注意的是，转导的肌肉可以作为生物工厂来产生用于治疗非肌肉疾病的分泌治疗性蛋白质。此外，虽然大多数心脏病是多基因的并且受环境因素的影响，但已经测试了几种参与信号传导和代谢的基因来治疗心力衰竭。临床开发中大部分的rAAV基因疗法集中在CNS，包括大脑和眼睛。眼睛是一种封闭的和分隔的器官，这促使rAAV基因的局部递送。值得注意的是，FDA批准的第一种rAAV基因治疗药物Luxturna，用于治疗患有由RPE65基因突变引起的遗传性视力丧失的患者。相比之下，大脑更复杂，更大。直接脑实质内rAAV注射可以促使rAAV的局部分布，并且理想地用于治疗影响脑部限定区域的CNS疾病，例如帕金森病中的壳核。另一方面，通过鞘内注射递送到脑脊液空间可以实现更广泛的CNS分布。不幸的是，这些给药途径可能是侵入性的并且带来潜在的风险。或者，静脉内递送某些血清型载体，例如AAV9和AAVrh.10，使载体穿过血脑屏障(BBB)以转导神经元和神经胶质细胞。这一具有里程碑意义的发现促成了一系列研究，证明了全身性rAAV给药的治疗效果，其目标是影响CNS广泛区域的疾病，包括脊髓性肌萎缩症(SMA)、肌萎缩侧索硬化、Canavan病、GM1 ganglio-sidosis和粘多糖贮积症III型。利用这种强大的rAAV平台的多项临床试验目前正在进行中。AAV基因治疗的风险1. 基因疗法与肝毒性的关联在过去两年中，安斯泰来的基因疗法AT132的试验被多次暂停，原因之一即是严重肝毒性副反应。该药物用于治疗X连锁肌小管性肌病，使用AAV8载体递送肌管蛋白基因至骨骼肌，从而增加组织中肌管蛋白的表达。2020年，三名儿童在接受了高剂量（3x10 14 vg/kg）的AT132后死亡，均发生了肝功能衰竭，试验一度暂停，当年末，FDA准许安斯泰来重新开始试验。考虑到先前接受低剂量（1x10 14 vg/kg）的AT132治疗组中患者并未出现类似肝功能问题，安斯泰来一改激进策略，用药量降至略高于先前最低剂量组（1.3x10 14 vg/kg）。但结果并未如其所愿，2021年又有一名儿童出现肝功能异常后死亡，当年9月，试验再度暂停。AT132引发了对高剂量AAV载体的肝脏风险的审视。事实上，早在2018年，就有相关研究指出，AAV载体对肝脏具有高亲和力，会天然富集在肝脏细胞中。这一事实导致，若只是靶向肝脏，低剂量的AAV载体即有效，但若是靶向其他部分，要达到有效浓度，全身给药时的AAV载体剂量必须大幅度提升，以及考虑到载体空壳率，患者的实际肝脏负担更重。2. 与高剂量相关的另外一个问题是免疫应答一个成年人身体中仅有大约3x1013（30万亿）个细胞。成年人较为容易容忍与细胞数量近似的AAV载体数量，当剂量超过100万亿AAV载体剂量时，免疫反应很可能发生——干扰病毒载体与细胞的相互作用，严重阻碍基因疗法的治疗过程。16年前，在首个靶向肝脏，用于治疗血友病B的使用第一代的AAV2载体的基因疗法试验中，就有相关风险报告。从这项试验中可以看到，约70公斤的成年人体可以很容易耐受AAV2载体剂量4x1011vg/kg全身注射（大约28万亿AAV2颗粒），但当剂量提升至5倍达2x1012vg/kg（大约140万亿AAV2颗粒）时候，CD8+T细胞对载体的衣壳蛋白产生了应答，使得AAV载体在传导细胞之前，已经被人体的免疫系统清除。3. AAV载体可能会增加患癌风险2020年，UniQure的针对血友病的AAV基因疗法使得一名患者患上肝细胞癌（HCC），作为III期临床的一部分，这位患者于2019年末接受了递送IX基因的AAV5载体的注射。这一发现让AAV的安全标签岌岌可危。然而在后续调查中，发现UniQure试验中的这位HCC患者，原本就患有慢性乙型和丙型肝炎感染，其本身就是HCC高发患者，因此发现的肿瘤或与AAV治疗无关。此外，第二项试验，虽然表现出AAV整合，但是随访中并未发现有肝癌或者肝功能障碍现象。与此同时，另外一项使用AAV8载体递送FVII基因，治疗A型血友病犬的10年随访研究结果也引起业界关注：五只接受治疗的狗中发生了AAV整合，以及整合后的细胞增殖。因此，AAV载体是否真的会致癌，仍然是一个悬而未决的问题。2021年，FDA召集了一个专家小组，在为期两天的会议上讨论了基因治疗的安全性——癌症风险，以及在动物实验和人类中观察到的对肝脏和大脑的毒性。在讨论癌症风险时，专家们花费了大量时间权衡动物测试的结果。例如，在小鼠中，观察到了该类基因疗法在给药剂量较高、特别是幼龄给药的情况下，致癌风险较大，而目前在猴子、狗等大型动物的实验中尚未观察到此类风险。结合上述A型血友病犬的研究，FDA专家认为，致癌风险仍然是理论上的。FDA专家建议，为了更好评估AAV风险，有必要延长动物实验观察时长，因为“DNA的损伤可能在一年乃至18个月后才出现”。同时，应当“长期跟访接受治疗的患者，以确保即使是罕见的不良反应也能被观察到”。另外，对于临床研究，专家们提出了“通过在人类细胞系上开展研究等，实现更接近人体实际环境的研究”。这与辉瑞观点不谋而合，其在向FDA提交的公开评论中指出，应减少在动物体内研究基因整合的试验，除非有“与人类有明确的因果关系”的证据出现，声称使用人类细胞系评估风险的试验更有参考价值。AAV基因治疗策略【基因置换】：最常见的aav介导的治疗干预是基因置换，其特点是引入功能基因副本治疗单基因疾病。该方法主要用于罕见和不可治疗的疾病，是上述两种fda批准的AAV基因治疗的基础。另一个值得注意的基因替换的例子是正在进行的治疗严重血友病A的临床试验，这是凝血蛋白因子VIII缺乏。这是一种隐性x连锁疾病。在美国，三分之一的病例可能是由自发突变引起的，在美国，每5000个新生儿中就有1个发生这种情况。在使用AAV治疗血友病A的临床试验中，有3个预计将于2020年底或2021年初开始III期临床试验(NCT04323098、NCT04370054、NCT03734588)。【基因添加】：基因添加是AAV基因治疗应用最广泛的一种，因为它可以用于治疗较常见的非单基因复杂疾病，如慢性、自身免疫性或感染性疾病。使用AAV进行基因添加的例子包括正在进行的治疗类风湿性关节炎的临床试验。目前，Arthrogen正在进行1期临床试验(NCT02727764)。AAV载体携带IFN-β转基因，IFN-β是一种抗炎介质，在骨骼和软骨保护中发挥作用。【基因沉默】：与试图克服功能缺失突变的基因替换不同，基因沉默，也被称为RNA干扰(RNAi)，可以用来抑制有害的功能获得突变。在这种方法中，AAV转基因编码一个miRNA前体，该前体经靶细胞自身的RNAi机制加工产生miRNA，这是一个小的非编码RNA链，可以与mRNA对中的互补序列建立碱基，以抑制其表达。利用AAV进行基因沉默的大多数努力仍处于临床前研究阶段，因为沉默有几个必须解决的具体安全问题。一个主要问题是非目标沉默的可能性。另一个问题是RNAi饱和的机制。在这个机制中，转基因miRNA的表达可能压倒并破坏内源性miRNA的产生，导致细胞毒性。目前，unique已经开始了一项使用AAV基因疗法治疗亨廷顿舞蹈病的临床试验(NCT049493)。参考文献1.Srivastava A. AAV Vectors: Are They Safe? Hum Gene Ther. 2020 Jul;31(13-14):697-699. doi: 10.1089/hum.2020.187. PMID: 32611206.2.Verdera HC, Kuranda K, Mingozzi F. AAV Vector Immunogenicity in Humans: A Long Journey to Successful Gene Transfer. Mol Ther. 2020 Mar 4;28(3):723-746. doi: 3.1016/j.ymthe.2019.12.010. Epub 2020 Jan 10. PMID: 31972133; PMCID: PMC7054726. 4.AAV-Induced Cancer: Cause for Concern in Gene Therapy? 5.At FDA meeting, gene therapy experts wrestle with field's blindspots 嘉宾阵容以及授课话题已曝光，点击图片查询，合作热线：王晨 180 1628 8769戳“阅读原文”立即领取限量免费参会名额!