試想未來的一個治療場景：非酒精性脂肪肝慢性疾病患者每天只需要通過特制電子煙或?qū)Ｓ渺F化器定時定量吸入香氣分子，就可以在體內(nèi)長期表達(dá)治療蛋白，而避免了傳統(tǒng)的注射或口服藥物的治療方式，治療過程變得輕松無痛且依從性高。這樣的場景如今已不再是設(shè)想，科學(xué)家們已在小鼠體內(nèi)成功實現(xiàn)該設(shè)想。
華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院葉海峰研究團(tuán)隊成功開發(fā)了“香氣分子”麝香酮（muscone）調(diào)控的基因表達(dá)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，并將其裝載在腺相關(guān)病毒AAV基因治療載體中（命名為AAVMUSE），實現(xiàn)無針無痛、患者依從性高的可控式基因療法。這一創(chuàng)新成果“AAV-delivered muscone-induced transgene system for treating chronic diseases in mice via inhalation”于2024年2月6日發(fā)表在國際期刊 Nature Communications。
Nature Communications 刊登葉海峰團(tuán)隊研究成果
葉海峰研究團(tuán)隊一直致力于開發(fā)綠色天然適用于臨床使用的小分子調(diào)控的基因控制開關(guān)，克服傳統(tǒng)化學(xué)小分子如抗生素、食品添加劑帶來的潛在安全問題。2019年課題組開發(fā)了原兒茶酸調(diào)控的基因控制開關(guān)，通過“喝綠茶”的方式調(diào)控胰島素表達(dá)，用于治療糖尿病（Yin et al., Science Translational Medicine, 2019）；2021年開發(fā)了白藜蘆醇調(diào)控的基因控制開關(guān)，通過“喝紅酒”的方式調(diào)控CAR-T細(xì)胞活性，用于可控腫瘤免疫治療（Yang et al., PNAS, 2021）。
如今受中國千年香道文化的啟發(fā)，基于中藥材麝香的主要活性成分---麝香酮（muscone）具有迷人的香氣和揮發(fā)性的特點，利用合成生物學(xué)的理念，創(chuàng)造性地開發(fā)出“聞香”控制的人工基因線路開關(guān)。據(jù)葉海峰研究團(tuán)隊介紹：我們會利用臨床批準(zhǔn)的病毒系統(tǒng)AAV提前將“基因開關(guān)”導(dǎo)入體內(nèi)，通過“聞香”這種便捷的方式遠(yuǎn)程打開體內(nèi)的“基因開關(guān)”表達(dá)治療蛋白。這項技術(shù)在治療慢性疾病（如非酒精性脂肪肝病和過敏性哮喘）方面顯示出潛力，為未來人類疾病的治療提供了一種新穎而精準(zhǔn)治療策略。
該設(shè)計圖主要描繪了AAVMUSE介導(dǎo)的“聞香”療法用于慢性疾病的治療。AAVMUSE經(jīng)不同血清型病毒載體遞送至小鼠不同部位后，在體內(nèi)組裝成完整的基因開關(guān)，小鼠聞香之后，誘導(dǎo)表達(dá)不同的治療蛋白。
麝香酮“開關(guān)”如何實現(xiàn)“聞香治病”？
芳香療法在日常生活中常用于心理疾病治療，通過吸入芳香精油，能夠緩解壓力，舒緩心情，研究者試想能否將該“聞香療法”應(yīng)用于慢性疾病中？麝香酮是中藥材麝香的主要活性成分，是一種具有揮發(fā)性和香氣的臨床藥物，已被國家批準(zhǔn)用于食品、藥品、以及香水中。鑒于麝香酮的安全性、揮發(fā)性，研究人員基于感應(yīng)麝香酮的小鼠嗅覺受體MOR215-1和合成的cAMP響應(yīng)的啟動子（PCRE），在體外成功構(gòu)建了低背景、高誘導(dǎo)的麝香酮調(diào)控的基因環(huán)路（muscone-regulated gene circuit, MUSE）。當(dāng)麝香酮與G蛋白偶聯(lián)受體MOR215-1結(jié)合后，激活胞內(nèi)的cAMP信號通路，隨后使得響應(yīng)cAMP的結(jié)合蛋白1（cyclic-AMP response binding protein, CREB1）磷酸化后結(jié)合到PCRE啟動子上，進(jìn)而啟動目的基因表達(dá)（圖1）。體外驗證結(jié)果顯示，麝香酮與細(xì)胞在沒有直接接觸的情況下，麝香酮自身的揮發(fā)性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控基因的表達(dá)。
圖1. MUSE的工作原理圖
為AAV介導(dǎo)的基因治療裝上“按開關(guān)的手”
基因治療載體腺相關(guān)病毒AAV已被美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)為臨床基因治療載體，該載體安全性高，免疫原性低，體內(nèi)存留時間長，血清型多，且具有組織特異性。據(jù)統(tǒng)計，截止到2018年，世界范圍內(nèi)已完成或正在進(jìn)行的AAV基因藥物臨床試驗已有145項，在腦部疾病、眼部疾病以及血友病中具有良好應(yīng)用前景。但是AAV遞送的基因會持續(xù)過量表達(dá)，產(chǎn)生毒副作用，基于上述問題，我們試圖將可控式基因環(huán)路與基因治療相結(jié)合，以實現(xiàn)精準(zhǔn)基因治療的設(shè)想。
因此我們將麝香酮調(diào)控基因環(huán)路裝載在AAV病毒載體中，設(shè)計構(gòu)建了AAV介導(dǎo)的麝香酮調(diào)控的基因環(huán)路（AAVMUSE），利用AAV的多器官靶向性將該環(huán)路轉(zhuǎn)導(dǎo)至肝臟或肺部，通過定期“聞香”實現(xiàn)長期精準(zhǔn)控制蛋白藥物的表達(dá)釋放（圖2）。
圖2. MUSE經(jīng)AAV病毒載體遞送至小鼠體內(nèi)可實現(xiàn)長期調(diào)控基因表達(dá)效果
AAVMUSE在非酒精性脂肪性肝炎以及過敏性哮喘模型中的治療
目前慢性疾病的治療通常需要反復(fù)注射或口服藥物，這導(dǎo)致患者的依從性差，且藥物毒副作用大，迫切需要開發(fā)安全可靠以及患者依從性高的治療策略。研究者將AAVMUSE應(yīng)用于非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）和過敏性哮喘（allergicasthma）疾病的治療中。實驗結(jié)果顯示，在非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）模型小鼠中，AAVMUSE經(jīng)AAV2/9遞送至肝組織后能夠精準(zhǔn)調(diào)控ΔhFGF21產(chǎn)生，并實現(xiàn)長達(dá)28周的治療；在過敏性哮喘模型小鼠中，AAVMUSE經(jīng)AAV2/6和AAV2/lung聯(lián)合遞送至肺組織后能夠精準(zhǔn)控制ΔmIL-4產(chǎn)生,成功預(yù)防該疾病發(fā)展。僅注射一次AAVMUSE，而后通過定時定量吸入麝香酮即可原位精準(zhǔn)、持續(xù)地誘導(dǎo)治療蛋白表達(dá)，達(dá)到“聞香”治療慢性疾病的目的（圖3）。
圖3. 麝香酮調(diào)控系統(tǒng)在慢性疾病治療中的應(yīng)用
綜上，該研究中所構(gòu)建的芳香小分子麝香酮調(diào)控基因環(huán)路可實現(xiàn)遠(yuǎn)程誘導(dǎo)、高效精準(zhǔn)調(diào)控基因表達(dá)，為合成生物學(xué)提供了新的調(diào)控工具，也為可控性的基因治療研究提供了新方法，有助于推動基因療法在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。這項研究開發(fā)的“聞香”基因療法也為慢性疾病提供了一種無創(chuàng)無痛的治療方式，為未來開發(fā)更有效、更安全、更精準(zhǔn)的個性化疾病治療方法提供了新思路。
左：論文第一作者武鑫博士，右：論文通訊作者葉海峰研究員
華東師大生命科學(xué)學(xué)院2023屆博士畢業(yè)生武鑫、2020屆博士畢業(yè)生于袁歡（現(xiàn)在校團(tuán)委工作）、副研究員王美艷（現(xiàn)為上海大學(xué)教授）為該論文的共同第一作者，葉海峰教授為該論文的通訊作者。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委的支持。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45383-z
來源｜生命科學(xué)學(xué)院、科技處 編輯｜史佳妮 編審｜郭文君
