近期,“rAAV研究先锋”Richard Jude Samulski在Molecular Therapy杂志(IF=12.1)上发表了一篇极具影响力的综述,系统回顾了AAV 技术40 年的演进,并展望人工智能驱动的衣壳工程、精准递送及rAAV药物的临床试验和商业化等未来趋势[1],该文无疑是理解AAV行业过去与未来的权威读物。前四期我们分别介绍了AAV药物临床试验进展与现实挑战,AAV载体设计,AAV的分子进化路径,包括载体工程的进展和定向进化平台,AAV的分子进化路径,包括理性进化平台以及计算机建模和AAV衣壳的跨物种筛选平台,最后一期我们整体回顾一下AAV从实验室发现到临床应用的演化历程。AAV:从基础认知到突破进展AAV是一种非包膜小型病毒,具有紧凑的二十面体衣壳,直径约为25nm。AAV最早于20世纪60年代在灵长类腺病毒制备过程中被作为“污染物”发现,属于细小病毒科(Parvoviridae),以其非致病性而广受关注。与能够自主复制的病毒不同,AAV本身缺乏复制能力,必须依赖辅助病毒(如腺病毒或单纯疱疹病毒)协助复制,因此被归类于依赖细小病毒属(Dependoparvovirus)。AAV基因组为线性单链DNA(ssDNA),长度约为4.7 kb(图1),其两端各有一个145bp的倒位末端重复序列(Inverted Terminal Repeats, ITRs),呈发卡结构,具备自我引发复制的能力。ITRs在病毒生命周期中扮演着关键角色,不仅是基因组复制的起点,同时参与基因组包装,并有助于病毒感染后的基因组持留稳定。图1野生型AAV2基因组特征[2]AAV基因组主要包含两个开放阅读框(ORF):REP和CAP,分别受四个启动子p5、p19、p40和p81的调控。p5与p19: 启动子驱动REP基因表达,产物包括调控病毒复制、基因组包装与整合的Rep蛋白。p5产生的全长mRNA翻译为Rep78,其剪接变体编码Rep68;p19产生的全长mRNA编码Rep52,剪接变体则是Rep40。p40启动子: 控制CAP基因表达,CAP基因编码AAV结构性衣壳蛋白VP1、VP2和VP3,以及两个辅助蛋白:组装激活蛋白(Assembly-Activating Protein, AAP)和膜相关辅助蛋白(Membrane-Associated Accessory Protein, MAAP)。次要剪接mRNA主要翻译VP1,主要剪接mRNA则翻译VP2、VP3、AAP与MAAP。p81启动子: 位于CAP基因的C端区域,调控X蛋白的表达,该蛋白被认为可促进DNA复制及病毒颗粒生成。其中,AAP在各AAV血清型中普遍负责衣壳正确组装,而近年来发现的MAAP则有助于已组装AAV衣壳从细胞内有效分泌至胞外。凭借其高效的基因组结构、独特的复制方式和良好的生物学特性,AAV被视为极具前景的人类基因治疗载体。然而,直到1982年,科学家首次成功将野生型AAV(wtAAV2)的完整感染性基因组克隆至质粒中,这一技术突破才真正奠定了AAV分子生物学操作的基础,并为重组AAV(rAAV)在基因治疗中的广泛应用铺平了道路。在接下来的数十年里,rAAV推动了基础研究进展,支持了多项治疗性开发,并催生了包括Luxturna和Kebilidi在内的多个FDA批准上市的AAV基因治疗产品。在rAAV载体中,科研人员通过对wtAAV基因组进行改造,将其原有的REP和CAP的ORFs替换为定制的基因表达盒,该表达盒仍由ITR序列夹持。ITR是rAAV中唯一保留的源自AAV的序列,对病毒载体功能至关重要——它不仅参与基因组包装和载体生产过程中的复制,还能在宿主细胞中维持病毒基因组以表观染色体形式(episome)稳定存在。由于去除了REP和CAP区域,rAAV载体无法自主复制,从而极大提升了其生物安全性,有效避免病毒在体内不受控扩增的风险。一个rAAV基因治疗产品的基本组成包括两个关键部分:AAV衣壳(capsid):决定了载体的组织嗜性(tropism)和细胞进入效率;rAAV基因组:承载着目标治疗基因和调控元件,用于实现治疗性表达。AAV:从“污染物”到“临床先锋”1960年代:AAV的首次发现与复制依赖性AAV最早于20世纪60年代在恒河猴肾(RMK)细胞中制备的猿腺病毒15型(SV15)过程中,被意外识别为一种“污染物”。随后,研究人员在感染犬传染性肝炎病毒(ICH)的MDCK细胞中再次分离出AAV,进一步证实了AAV复制过程中对辅助病毒的依赖性。这些研究首次明确了AAV无法独立复制,必须借助如SV15或ICH等辅助病毒,才可在多种宿主细胞中实现有效感染,展现出其强大的适应能力。AAV的这种“温和”特性——能够在宿主细胞中稳定存在而不引发病理性损伤,使其被视为一种非致病病毒,引发了科研界对其安全性和治疗潜力的浓厚兴趣。然而早期研究也发现,AAV极易被体内的抗AAV中和抗体清除,从而影响其转导效率。直到今天,这一免疫屏障问题仍是限制AAV基因治疗有效性的主要挑战之一。尽管如此,这一时期的基础研究为后续AAV作为治疗载体的探索奠定了坚实基础。1980年代:AAV分子机制的解析与载体系统的确立1980年,Lusby等人首次解析了AAV2中ITRs的核苷酸序列。他们发现每个ITR由145个碱基组成,其中前125个碱基可通过自我配对形成“T”形发卡结构,这一结构对AAV DNA复制至关重要,因为它能启动第二条链的合成。他们还发现ITR序列中存在“翻转(flip)”和“倒置(flop)”两种构象,是复制过程中发卡结构转移所致。1982年,Samulski等人成功将野生型AAV2的完整基因组克隆至质粒中,标志着AAV从一种生物实体跃升为基因治疗研究的核心工具。这一技术突破首次实现了AAV基因组的精准操控,为后续AAV载体的理性设计和工程优化奠定了基础,也成为现代基因治疗向临床转化的起点。1983年,Srivastava等人公布了AAV2完整基因组序列,确认其ssDNA全长为4,675bp,包含两端的ITR序列。他们还定位了三条主要mRNA的5’端和3’端,识别了多个潜在的起始和终止密码子,并划分出编码VP衣壳蛋白的基因区段,同时推测存在其他未被识别的非结构蛋白。这项研究提供了AAV2的完整遗传图谱。1984年,Hermonat和Muzyczka首次将AAV“载体化”,用于将外源基因导入哺乳动物细胞。他们构建了rAAV系统,成功转染了携带新霉素抗性基因的重组AAV病毒,并证实了AAV可作为基因递送工具。这项概念验证(Proof of Concept)研究,奠定了AAV作为基因治疗载体的雏形,成为该领域发展的重要里程碑。1990年代:AAV基因治疗迈向体内应用与临床转化1993年:rAAV首次实现体内治疗性应用1993年,Flotte等人开展了使用rAAV载体治疗囊性纤维化(CF)的探索性研究。他们构建了携带正常CFTR基因的rAAV载体,并成功实现在原代细胞和活体动物(兔)中的基因转导与表达。在AAV-CFTR载体给药后的长达6个月内,研究人员在肺组织中检测到CFTR相关的DNA、mRNA及蛋白表达,首次证明了rAAV可在体内实现稳定且长期的基因表达。这项研究奠定了AAV作为体内基因治疗载体的基础。1994年:AAV在中枢神经系统中实现稳定表达Kaplitt等人在帕金森病(PD)大鼠模型中评估了rAAV在哺乳动物大脑中的长效表达及治疗潜力。他们将编码人酪氨酸羟化酶(TH)的rAAV载体注射至大鼠尾状核去神经区域,并在术后四个月内持续检测到TH蛋白的表达,且实验组大鼠在行为功能上明显优于对照组。这是首次证实rAAV可在中枢神经系统中实现安全、持久的基因表达,为后续开发神经系统疾病的AAV治疗策略提供了重要依据。迄今,已有两款AAV基因疗法获FDA批准用于神经系统疾病。1995年:首个rAAV基因治疗临床试验Flotte团队在1995年发起了首个人体临床试验,评估rAAV在治疗囊性纤维化中的应用。这项I期临床研究针对轻度肺部病变的成年CF患者,采用rAAV-CFTR载体将功能性CFTR基因递送至气道上皮细胞。该试验首次在人类中验证了AAV基因治疗的可行性与安全性,为后续一系列CF及其他遗传病的AAV治疗打下了临床基础。1996年:肌肉组织中实现长期表达Xiao等人在免疫功能正常的小鼠中将rAAV-lacZ载体注射至肌肉组织,发现转基因表达可持续长达1年半,且未引发明显的细胞免疫反应。分析显示,这种持久表达源于rAAV以高分子量episome形式稳定存在于细胞中。该研究首次证实无需免疫抑制即可在哺乳动物肌肉中实现长期转导,为杜氏肌营养不良症(DMD)等肌肉疾病的AAV治疗打下基础,并促成后续FDA批准的DMD疗法。1998年:无辅助病毒高效生产系统问世在1998年,Xiao等人开发出了一种无需依赖腺病毒辅助的高效rAAV生产系统,极大推动了AAV载体的产业化进程。该方法利用优化设计的小型腺病毒辅助质粒和包装质粒,在无外源腺病毒感染的情况下,即可高效生产rAAV,病毒滴度超过每个细胞10⁵个病毒颗粒或1,000个转导单位。这一“无辅助系统”的诞生不仅减少了生产过程中的污染风险,还提升了生产可控性与安全性,标志着AAV载体正式走向可规模化、可临床转化的阶段。2000年代至今:AAV技术持续突破,开启基因治疗新时代2001年:自我互补型AAV(scAAV)提升转导效率2001年,McCarty等人针对rAAV转导效率受限的一大瓶颈——宿主细胞需自行合成互补DNA链的问题,提出了解决方案。他们设计了一种自我互补型AAV(self-complementary AAV, scAAV),该载体在包装时引入了二聚反向重复序列,能够在进入宿主细胞后直接形成双链DNA,从而跳过了原本依赖宿主细胞合成互补链的步骤。研究显示,scAAV在体内外实验中均表现出远高于传统单链AAV的转导效率。这一突破显著提升了AAV载体的基因传递效率,并成为FDA批准治疗脊髓性肌萎缩症(SMA)药物Zolgensma的核心技术机制之一。2002年:AAV血清型跨包装(Cross-packaging)策略实现精准递送Rabinowitz等人在2002年开展了一项创新研究,尝试将相同的AAV2基因组包装进不同血清型的衣壳中,从而评估血清型变化对转导效率及组织特异性的影响。结果显示,不同AAV血清型展现出显著不同的组织嗜性(tropism),可显著改变基因递送效果。这种“跨包装”策略使研究人员可以在保持AAV2 ITR高度表征稳定性的同时,灵活选择更适合特定组织的衣壳,实现:更精准的组织靶向;更低的免疫反应风险;更高的治疗效率。此外,跨血清型包装技术也推动了通用化、规模化的rAAV生产系统发展,有助于简化生产流程,提升载体产能与一致性。凭借这些分子层面的创新与转化应用,AAV2在2017年助力全球首个FDA批准的基因治疗药物——Luxturna成功上市,用于治疗遗传性视网膜疾病,开启了AAV在临床治疗中的实际应用。紧接着,基于scAAV技术的Zolgensma于2019年获批上市,成为第二款FDA批准的AAV基因疗法,用于治疗SMA,标志着AAV载体在儿科神经系统遗传病中的应用迈上新台阶。这两款突破性疗法的成功,不仅源自载体设计的优化,也得益于无辅助病毒(helper-free)AAV生产系统的建立——该系统无需依赖辅助病毒即可实现高效、安全、可扩展的临床级载体生产,显著降低了污染风险,提升了生产一致性与监管合规性。面向未来:AAV持续赋能基因治疗如今,AAV作为基因治疗的核心载体平台,正不断扩展其在更多遗传病治疗领域的应用潜力。随着生产工艺的不断成熟、递送效率的持续提升、免疫应答的有效控制,AAV正引领基因治疗由实验室走向广泛临床应用,为更多患者带来治愈的希望。(完结)参考资料1.Lester Suarez-Amaran, Liujiang Song, Anna P. Tretiakova, et al. AAV Vector Development, Back to the Future. Molecular Therapy. 2025; 33(5): 1903 – 1936. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2025.03.064.2. Lopez-Gordo E, Chamberlain K, Riyad JM, et al. Natural Adeno-Associated Virus Serotypes and Engineered Adeno-Associated Virus Capsid Variants: Tropism Differences and Mechanistic Insights. Viruses. 2024; 16(3):442. https://doi.org/10.3390/v16030442关于派真生物