Blood:干细胞基因疗法的主要障碍得以解决

【字体: 时间:2014年06月30日 来源:生物通

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  目前,科学家们解决了临床造血干细胞基因治疗中的一个主要的障碍:如何绕过造血干细胞的自然防御系统,有效地将抗病基因插入细胞的基因组中。相关研究结果发表在最近出版的国际著名学术期刊《Blood》。

  

生物通报道:转基因造血干细胞(HSC)移植是遗传病、HIV和癌症的一种有前景的治疗策略。然而,临床HSC基因治疗的一个障碍是,基因通过慢病毒载体(LV)传递到HSCs的效率有限。最近,科学家们解决了这个主要的障碍:如何绕过造血干细胞的自然防御系统,有效地将抗病基因插入细胞的基因组中。

由美国斯克里普斯研究所(TSRI)副教授Bruce Torbett带领的一项最新研究报道称,药物雷帕霉素(rapamycin)——常用于减缓肿瘤生长和防止器官移植排斥反应,可使治疗剂量的基因能够传递到造血干细胞中,同时保护干细胞的功能。

这些研究结果发表在最近出版的国际著名学术期刊《Blood》,可能为血细胞疾病带来更有效和负担得起的长期治疗方法,在这类疾病中,DNA中的突变可引起异常的细胞功能,如白血病和镰状细胞贫血。

改进基因到造血干细胞的传递
病毒可通过将其自身遗传物质插入到人细胞,而感染人体。然而,在基因治疗中,科学家们开发出一种“容易消化”的病毒,如人类免疫缺陷病毒(HIV),来产生所谓的“病毒载体”。病毒载体携带治疗性基因进入细胞,而不会引起病毒性疾病。Torbett和其他科学家发现,HIV载体可以将基因传递到造血干细胞。

对于一种疾病(如白血病或脑白质营养不良)来说,DNA突变可导致异常的细胞功能,有效地靶定产生这些血细胞的干细胞,可能是阻止疾病和促使人体产生健康血细胞的一种成功的方法。

Torbett指出:“当你五岁大的时候,如果在你的造血干细胞中产生一个基因修饰,这些变化是终身的。”此外,基因修饰的干细胞可以发展成多种类型的细胞,这些细胞遍布体内并提供治疗作用。

然而,由于细胞已经适应了防御机制来克服致病病毒,所以能阻止基因工程病毒载体进行有效的基因传递。Torbett称,当科学家们从身体提取出造血干细胞用于基因治疗时,HIV病毒载体通常将基因传递到仅30%到40%的细胞。白血病、脑白质营养不良或遗传疾病的治疗需要合理数量的干细胞来源的健康细胞,这个数量可能太低以至于不能达到这些疾病的治疗目的。

这些限制促使Torbett和他的研究小组,包括本文第一作者、TSRI毕业生Cathy Wang,检测雷帕霉素是否能够改善基因到造血干细胞的传递。根据其控制病毒进入和减缓细胞生长的能力,挑选雷帕霉素进行评估。

研究人员开始先从脐带血中分离干细胞。他们将造血干细胞暴露于雷帕霉素,HIV载体被设计用于传递一个绿色荧光蛋白基因,它会引起细胞发光。这种荧光提供了一种视觉标记,可帮助研究人员跟踪基因传递。

研究人员发现,用雷帕霉素治疗的小鼠和人干细胞之间,存在很大的差异,治疗性基因被插入到多达80%的细胞中。在这之前,研究人员从来没有将这个性能与雷帕霉素联系起来。

帮助造血干细胞存活
研究人员还发现,从体内取出干细胞用于基因治疗时,雷帕霉素能抑制干细胞的迅速分化。这很重要,因为科学家们需要时间来处理提取的造血干细胞,但这些细胞一旦离开人体,就开始分化成其他类型的血细胞,失去了保持干细胞并传递治疗性基因的能力。

Torbett称:“我们想确定用于保存干细胞的条件,所以,如果我们将它们移植回我们的动物模型中,它们的行为就像最初的干细胞一样。我们发现,在两组动物模型中,干细胞可维持并产生基因修饰的细胞。”

研究人员希望有一天这些方法在临床上是有用的。Wang称:“我们的方法可以降低成本,使基因治疗为更多的患者所用。”她说,下一步他们将在其他动物模型中进行雷帕霉素和干细胞的临床试验,然后探讨这种方法在人类中是否是安全有效的。该小组还致力于描绘雷帕霉素方法作用于造血干细胞的双重途径。

(生物通:王英)

延伸阅读:《J. Neurosci.》:基因治疗可逆转老年痴呆症的记忆丧失

生物通推荐原文摘要:
Rapamycin relieves lentiviral vector transduction resistance in human and mouse hematopoietic stem cells
Abstract: Transplantation of genetically modified hematopoietic stem cells (HSCs) is a promising therapeutic strategy for genetic diseases, HIV, and cancer. However, a barrier for clinical HSC gene therapy is the limited efficiency of gene delivery via lentiviral vectors (LV) into HSCs. We show here that rapamycin, an allosteric inhibitor of the mammalian target of rapamycin (mTOR) complexes, facilitates highly efficient lentiviral transduction of mouse and human HSCs and dramatically enhances marking frequency in long-term engrafting cells in mice. Mechanistically, rapamycin enhanced post-binding endocytic events, leading to increased levels of LV cytoplasmic entry, reverse transcription, and genomic integration. Despite increasing LV copy number, rapamycin did not significantly alter LV integration site profile or chromosomal distribution in mouse HSCs. Rapamycin also enhanced in situ transduction of mouse HSCs via direct intraosseous infusion. Collectively, rapamycin strongly augments LV transduction of HSCs in vitro and in vivo, and may prove useful for therapeutic gene delivery.

 

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