嵌合酶增强造血干细胞基因疗法治疗球样细胞脑白质营养不良的潜力

为解决球样细胞脑白质营养不良（GLD）因β-半乳糖神经酰胺酶（GALC）缺乏导致的治疗难题，研究团队开展基于慢病毒载体的造血干细胞基因治疗（HSPC-GT）研究，通过构建嵌合IDUAsp.GALC.APO酶，显著提升酶分泌与跨矫正效率，实现中枢及周围神经系统的有效酶递送，为GLD提供了创新治疗策略。

　　

在儿童罕见遗传病中，球样细胞脑白质营养不良（Globoid cell leukodystrophy, GLD）是一种尤为凶险的疾病。由于β-半乳糖神经酰胺酶（β-galactosylceramidase, GALC）的基因突变，患者体内无法正常代谢神经鞘脂类物质，导致毒性物质累积，进而引起严重的神经系统脱髓鞘病变和神经功能退化。绝大多数患儿在两岁前就会不幸离世，目前临床上缺乏根本有效的治疗方法。传统的造血干细胞移植（HSPC-T）虽被尝试用于补充功能性酶，但由于移植细胞分泌的GALC酶难以穿越血脑屏障、递送到中枢神经系统（CNS）及周围神经系统（PNS），治疗效果非常有限，且伴随移植排斥和免疫抑制等风险。近年来，体内基因治疗（gene therapy, GT）采用腺相关病毒（AAV）载体直接递送基因，虽初见成效，但长期安全性和免疫原性仍是重大挑战。

面对这一困境，研究人员开始探索更安全、高效的酶替代策略。其中，利用患者自身的造血干细胞进行体外基因改造（ex vivo gene therapy），再回输体内使其成为“酶工厂”的方法备受关注。不过，天然GALC酶的分泌效率和递送效能不足，难以满足神经系统的需求。为此，科学家尝试设计“嵌合酶”——通过蛋白质工程手段，将具有高效分泌或特殊靶向能力的肽段融合到GALC上，以增强其生产、释放及递送效率。

在这一背景下，Federica Cascino、Alessandra Ricca、Ilaria Picciotti等来自意大利圣拉斐尔科学研究所的研究团队开展了一项创新研究。他们利用慢病毒载体（lentiviral vector, LV）介导的造血干细胞基因治疗（HSPC-GT），构建了一种新型嵌合形式的GALC酶，该酶融合了来自α-L-艾杜糖醛酸酶（IDUA）的信号肽和载脂蛋白E II（APO）的功能区，旨在提升酶的表达量、分泌效率及穿越血脑屏障的能力。研究结果证实，这一嵌合酶（命名为IDUA^sp.GALC.APO）在多个实验层面显著优于天然GALC及以往已报道的嵌合变体，不仅能在干细胞中高效生产与分泌，还可有效实现“跨矫正”（cross-correction）——即工程化细胞分泌的酶可被患者神经细胞摄取，恢复其酶活性。该研究近期发表于国际知名期刊《Molecular Therapy》，为GLD的临床治疗提供了全新思路和实验依据。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，研究人员通过分子克隆构建了携带不同形式GALC基因（包括天然GALC、IDUA^sp.GALC及IDUA^sp.GALC.APO）的自失活慢病毒载体；其次，利用体外培养系统及来自GLD患者的原代造血干细胞和巨噬细胞，进行LV转导与酶表达分析；此外，研究借助疾病小鼠模型开展体内实验，评估基因标记的长期稳定性、嵌合酶在神经及周围组织中的分布以及生理生化指标改善情况；酶活性检测、Western blot、免疫组织化学以及行为学测试等多种技术被用于综合评估治疗效果。

嵌合酶的设计与体外验证

研究团队首先通过生物信息学分析和分子设计，将IDUA的信号肽（IDUA^sp）与APOE受体结合区（APO）分别融合到GALC的N端和C端，构建出新型嵌合酶IDUA^sp.GALC.APO。经LV转导人造血干细胞后，该嵌合酶表现出显著更高的表达水平和分泌效率，细胞上清中的酶活性较天然GALC提高数倍。此外，在患者来源的巨噬细胞中，该酶可通过旁分泌效应有效被邻近细胞摄取，并恢复其溶酶体内GALC活性，证明其具备良好的“跨矫正”能力。

疾病模型中的治疗效果评估

在GLD小鼠模型中，移植过表达IDUA^sp.GALC.APO的基因工程造血干细胞后，研究人员观察到长期稳定的基因植入和嵌合酶表达。酶活性检测显示，该嵌合酶不仅广泛分布于造血系统和内脏器官，更重要的是，在中枢神经系统和周围神经中均检测到显著高于对照组的GALC活性。组织学分析进一步表明，治疗组动物的神经髓鞘代谢异常得到明显缓解，神经炎症反应减轻，运动功能障碍亦有改善。

安全性与转化潜力分析

本研究所采用的慢病毒载体系统展现出良好的生物安全性，未发现基因插入突变或异常免疫反应。嵌合酶的设计不仅提高了治疗效果，还降低了所需病毒载量，减少了基因治疗相关的潜在风险。这些结果从临床转化角度支持该策略的可行性与优势。

研究表明，基于IDUA^sp.GALC.APO嵌合酶的造血干细胞基因治疗策略可显著提高GAL酶的表达、分泌及递送效率，实现高效的中枢及周围神经系统跨矫正，从而有效改善GLD疾病模型中的神经病理表型和生存质量。该研究不仅为GLD提供了新的治疗希望，其嵌合酶设计思路也有望推广至其他溶酶体贮积症及需要酶替代治疗的神经系统疾病领域，具有重要的科学意义与临床价值。