AAV-TBX18基因靶向转导构建自主节律性生物起搏器的研究

《Molecular Therapy》：Biological pacemaker induced by focal cardiac transduction with AAV-TBX18

本研究针对传统电子起搏器的局限性，探索利用AAV载体递送TBX18基因构建生物起搏器的新策略。研究团队通过心肌内靶向注射AAV-TBX18，成功在房室传导阻滞的大鼠和猪模型中诱导出具有自主神经应答功能的起搏活性，并证实其可提高运动耐量。该研究为生物起搏器临床转化提供了重要实验依据。

　　

心脏的正常搏动依赖于窦房结这一天然起搏点发出的电信号。当心脏传导系统发生病变，特别是出现完全性房室传导阻滞时，心跳会显著减慢，导致重要脏器供血不足，此时植入电子起搏器成为维持生命的必要手段。然而，电子起搏器存在诸多局限：需要手术植入、有电池寿命限制、存在感染风险、导线可能故障或移位，且无法对身体的生理需求（如运动）做出如同自身窦房结那般精细的反应。尤其对于儿童患者，随着其生长发育，可能需要多次手术来更换起搏器。因此，科学家们一直致力于研发一种能够真正“融入”心脏、具有生理调节功能的“生物起搏器”。

基因治疗为构建生物起搏器提供了新思路。此前的研究表明，通过腺病毒载体将T-box转录因子18（TBX18）基因导入心脏肌肉细胞，可以诱导其产生起搏活性。但腺病毒会引发较强的免疫反应，导致被转导的细胞被机体清除，使得起搏效果难以持久。这成为了该技术走向临床应用的主要障碍。那么，是否存在一种更安全、更持久的基因递送方法呢？

为此，来自美国西达赛奈医疗中心斯密特心脏研究所的Rodrigo Miguel-dos-Santos、James Frederick Dawkins、Thassio Mesquita、Lizbeth Sanchez、Liang Li、Mario Fournier、Eduardo Marbán和Eugenio Cingolani组成的研究团队，在《Molecular Therapy》杂志上发表了一项重要研究。他们尝试使用免疫原性更低的腺相关病毒（Adeno-Associated Virus, AAV）作为载体来携带TBX18基因（即AAV-TBX18），评估其在两种动物模型（大鼠和猪）中诱导持久且具有生理应答性生物起搏器效果的可行性。

研究团队运用了几个关键技术方法。首先是利用腺相关病毒（AAV）载体进行基因递送，这是一种相比腺病毒更安全的基因治疗工具。其次，他们采用了精准的靶向注射技术，包括在大鼠模型中进行左心室焦点注射，以及在大型动物（猪）模型中，通过导管介导的方式将AAV-TBX18递送至希氏束区域，模拟临床治疗场景。研究还建立了相应的疾病模型，即通过消融手术制造完全性房室传导阻滞的大鼠和猪模型，以测试生物起搏器的恢复心率功能。最后，研究通过心电图监测、基因表达分析、运动耐力测试等手段，系统评估了生物起搏器的功能特性、分子机制及生理效应。

AAV-TBX18诱导大鼠心室起搏活性

研究人员首先在大鼠模型中展开实验。他们将AAV-TBX18或作为对照的AAV-GFP（绿色荧光蛋白）定点注射入正常大鼠的左心室心肌内。结果发现，注射了AAV-TBX18的部位，其基因表达谱发生了显著改变，变得与天然的窦房结相似。更重要的是，这些原本不具有起搏功能的心室肌细胞，开始自发地产生电活动，并且这种电激动起源于注射点，继而传导至整个心脏，形成了有效的起搏。这表明，TBX18基因的过表达足以重编程心室肌细胞，赋予其起搏细胞的特征。

AAV-TBX18生物起搏器具有自主神经反应性

一个理想的起搏器不仅要能发出冲动，还应能像正常窦房结一样响应自主神经系统的调节（例如，运动时心率加快，休息时减慢）。研究团队对此进行了验证。他们发现，AAV-TBX18诱导的生物起搏器确实能够对药物介导的交感神经和迷走神经刺激产生预期的心率变化：应用异丙肾上腺素（模拟交感兴奋）时心率增快，而应用乙酰胆碱（模拟迷走兴奋）时心率减慢。这表明，新生的起搏组织整合了心脏的自主神经调节网络。此外，在运动平板实验中，携带AAV-TBX18生物起搏器的房室传导阻滞大鼠，其最大运动耐受能力显著高于对照组，进一步证明了其生理适应性。

AAV-TBX18在猪房室传导阻滞模型中恢复心率

为了更接近临床实际情况，研究团队在大型动物——猪身上进行了实验。他们采用了一种临床相关的猪完全性房室传导阻滞模型，并通过导管技术将AAV-TBX18或AAV-GFP精准输注到希氏束区域（心脏传导系统的关键部位）。结果显示，接受AAV-TBX18治疗的猪，其心率在接下来的4周观察期内，始终显著高于接受AAV-GFP对照的猪。这一结果在大型动物模型中重复了大鼠实验的发现，强烈支持了AAV-TBX18策略在治疗严重心动过缓方面的潜在应用价值。

AAV-TBX18诱导的起搏效应持久

研究的另一个关键点是评估起搏效果的持久性。由于AAV介导的基因表达通常较为持久，且其免疫原性低，研究人员预期AAV-TBX18的效果能维持更长时间。实验结果证实了这一点：在大鼠模型中，AAV-TBX18诱导的心率优势至少持续了6周；在猪模型中，也至少稳定维持了4周。这相较于之前腺病毒载体只能维持短暂效果是一个重大的进步，为解决生物起搏器持久性问题提供了有力证据。

综上所述，该项研究得出明确结论：通过靶向心肌内注射AAV-TBX18，能够在啮齿类（大鼠）和大型哺乳动物（猪）的完全性心脏传导阻滞模型中，成功诱导出 durable（持久的）、physiologically-responsive（具有生理应答性的）心率支持。研究的关键意义在于，它证实了使用低免疫原性的AAV载体递送TBX18基因，是构建功能性生物起搏器的一条可行且更具转化前景的技术路径。这种方法不仅避免了腺病毒载体的短板，而且诱导出的起搏活动具备自主神经调节这一高级功能，这是现有电子起搏器难以完美模拟的。

该研究的成功，为未来开发无需电池、无需导线、能够随身体需求自动调节的“智能”生物起搏器奠定了坚实的实验基础，标志着心脏基因治疗和再生医学领域向前迈出了重要一步。当然，要将此技术最终应用于人类患者，还需要进行更长期的安全性、有效性评估以及优化递送方案等后续研究，但本研究无疑点亮了通往未来心律失常治疗新方向的一盏明灯。