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專用霧化器定時定量吸入香氣分子，就可以在體內長期表達治療蛋白，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想，科學家們已在小鼠體內成功實現(xiàn)該設想。
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，利用合成生物學的理念，中國學者創(chuàng)造性地開發(fā)出“聞香”控制的人工基因線路開關，并將其裝載在腺相關病毒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。
1.麝香酮“開關”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，研究人員基于感應麝香酮的小鼠嗅覺受體MOR215-1和合成的cAMP響應的啟動子（PCRE），在體外成功構建了低背景、高誘導的麝香酮調控的基因環(huán)路（muscone-regulated gene circuit, MUSE）。當麝香酮與G蛋白偶聯(lián)受體MOR215-1結合后，激活胞內的cAMP信號通路，隨后使得響應cAMP的結合蛋白1（cyclic-AMP response binding protein, CREB1）磷酸化后結合到PCRE啟動子上，進而啟動目的基因表達（圖1）。體外驗證結果顯示，麝香酮與細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)遠程調控基因的表達。
圖1 MUSE的工作原理圖
2.為AAV介導的基因治療裝上“按開關的手”
基因治療載體腺相關病毒AAV已被美國食品和藥物管理局（FDA）批準為臨床基因治療載體，該載體安全性高，免疫原性低，體內存留時間長，血清型多，且具有組織特異性。據(jù)統(tǒng)計，截止到2018年，世界范圍內已完成或正在進行的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用前景。但是AAV遞送的基因會持續(xù)過量表達，產生毒副作用，基于上述問題，我們試圖將可控式基因環(huán)路與基因治療相結合，以實現(xiàn)精準基因治療的設想。
因此我們將麝香酮調控基因環(huán)路裝載在AAV病毒載體中，設計構建了AAV介導的麝香酮調控的基因環(huán)路（AAVMUSE），利用AAV的多器官靶向性將該環(huán)路轉導至肝臟或肺部，通過定期“聞香”實現(xiàn)長期精準控制蛋白藥物的表達釋放（圖2）。
圖2 MUSE經AAV病毒載體遞送至小鼠體內可實現(xiàn)長期調控基因表達效果
3.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注射或口服藥物，這導致患者的依從性差，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。實驗結果顯示，在非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）模型小鼠中，AAVMUSE經AAV2/9遞送至肝組織后能夠精準調控ΔhFGF21產生，并實現(xiàn)長達28周的治療；在過敏性哮喘模型小鼠中，AAVMUSE經AAV2/6和AAV2/lung聯(lián)合遞送至肺組織后能夠精準控制ΔmIL-4產生,成功預防該疾病發(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、持續(xù)地誘導治療蛋白表達，達到“聞香”治療慢性疾病的目的（圖3）。
圖3 麝香酮調控系統(tǒng)在慢性疾病治療中的應用
綜上，該研究中所構建的芳香小分子麝香酮調控基因環(huán)路可實現(xiàn)遠程誘導、高效精準調控基因表達，為合成生物學提供了新的調控工具，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醫(yī)學中的應用。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、更精準的個性化疾病治療方法提供了新思路。
武鑫，山西醫(yī)科大學醫(yī)學技術研究院講師，2017年進入華東師范大學生命科學學院攻讀研究生，2023年獲得博士學位。主要研究方向為合成生物學與生物醫(yī)學工程，聚焦于人工基因環(huán)路的設計構建和納米材料對基因環(huán)路及細胞進行精準高效遞送。迄今以一作或共一作者身份在Nature Communications上發(fā)表研究論文2篇，以共一作者身份在Cell Reports Medicine上發(fā)表研究論文1篇，以共同作者在Science Advances,Nature Biotechnology,NatureChemical Biology期刊上發(fā)表研究論文3篇。博士期間獲評優(yōu)秀學生和優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。
