专访 | 港科大院士团队开发全脑基因编辑技术，可改善小鼠AD症状

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报道来源：生辉

根据世界卫生组织的数据，随着世界人口老龄化，每年有近 1000 万阿尔茨海默症新增病例。

传统的阿尔茨海默症治疗药物只能缓解症状而不能改变疾病，因此科学家们开始寻找替代策略。在使用 CRISPR-Cas9 进行基因编辑方面取得突破后，该技术因其在操纵影响疾病的基因方面的潜力而引起了人们的兴趣。

然而，过去 15 年中有超过 400 项失败的临床试验。最近的一项分析表明，2002 年至 2012 年期间涉及阿尔茨海默症的药物临床试验成功率仅为  0.4%，失败率高达 99.6% 。近 20 年来，也只有渤健颇有争议的新药获得 FDA 批准上市。

为攻克这一难题，今年 4 月，美国国立卫生研究院同意，召集阿尔茨海默氏症和干细胞研究人员，共同开展有史以来最大的基因组编辑项目。该计划旨在帮助科学家更好地了解基因突变如何导致阿尔茨海默症的脑细胞损伤疾病和其他痴呆症。

近日，由香港科技大学领导，美国加州理工学院以及中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队合作开发了一种新型全脑基因编辑技术，不仅可以跨越血脑屏障，还可以提供优化的基因组编辑系统。该技术已在小鼠模型中证明可以改善阿尔茨海默症的病理症状。

与此同时，科学家们还在小鼠模型中发现，淀粉样蛋白（一种被认为是驱动 AD 神经变性的蛋白质）在治疗后 6 个月内（约为正常寿命的三分之一）保持低水平，这表明单次基因组编辑策略具有持久的效果。更重要的是，到目前为止，在小鼠中没有发现任何副作用。

这项研究以题为“Brain-wide Cas9-mediated cleavage of a gene causing familial Alzheimer’s disease alleviates amyloid-related pathologies in mice”发表在 Nature Biomedical Engineering 上。

图 | 叶玉如教授（右二）及团队成员（来源：受访者）

香港科技大学的叶玉如教授告诉生辉，“我们的全脑基因编辑系统是首次通过静脉 AAV 递送 Cas9 蛋白并实现高效的全脑基因编辑。实现了非侵入性的、长期且高效的、全脑范围的对家族性 AD 的精准治疗手段。”

叶玉如是中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家科学院外籍院士、香港科学院创院院士，以及香港科技大学晨兴生命科学教授、博士生导师、副校长。其研究主要集中于神经系统的发育和功能，以及阿尔茨海默症、帕金逊症等神经退行性疾病的药物研发。

首次非侵入方式实现全脑基因编辑

生辉：请你解读一下这篇文章？

叶玉如：我们开发了一种新型跨血脑屏障的全脑基因编辑系统，通过非侵入式的静脉注射途径给药，突破以往常规的脑定位局部注射、脑脊液注射等侵入式的基因治疗给药方式。首次成功通过静脉注射实现高效的全脑基因编辑，长期缓解了阿尔茨海默症的相关病理，并提高认知能力。通俗来说，基因中的致病突变类似写文章中的错别字，基因编辑类似错别字的修正。以往的局部注射只能修改一个段落的错别字，而现在的全脑基因编辑可以做到一次性修改一本书的错别字，大幅度提高了修改效率。

生辉：腺相关病毒目前仍是体内主要的递送工具，但是穿越血脑屏障也是递送中的一大难点。论文中显示，团队采用 AAV 递送基因编辑工具穿越血脑屏障，请问具体是如何实现的？

叶玉如：我们和加州理工大学的 Viviana Gradinaru 教授合作解决腺相关病毒（AAV）穿越血脑屏障这一难点。他们开发了名为 M-CREATE，基于 Cre 重组的 AAV 靶向进化（Cre recombination-based AAV targeted evolution, CREATE）的筛选病毒衣壳的技术，从而筛选出更加高效地转导体内表达 Cre 的细胞群体的 AAV 病毒衣壳。

他们利用 M-CREATE 整合新一代的测序技术、合成文库生成及专用的分析通路技术，识别能广泛转化中枢神经系统的衣壳突变体，并通过对数千种其它衣壳突变体的适合度进行排序，筛选出了能够进入血液中并自由通过血脑屏障的新的衣壳，制备出了跨越血脑屏障的新型 AAV，实现了只需一针注射，就能非侵入、高效地将效应基因传递至大脑特定细胞类型的提送能力。

生辉：论文中提到，优化了基因编辑工具，请问是如何优化的？与现有的基因编辑工具相比，有什么优势？

叶玉如：优化基因编辑工具是实现全脑基因编辑的关键。我们对基因编辑工具的优化主要体现在两个方面。

一方面是我们的基因编辑体系是一体化的（all-in-one）。目前常用于基因编辑的 CRISPR/Cas9 系统是改良自酿脓链球菌，其大小超出了腺相关病毒的包装限制，通常需要两个腺相关病毒分别递送 Cas9 蛋白和向导 RNA（guide RNA）。这大大降低了体内编辑效率，无法实现对病理症状的有效治疗。而我们用的新型 CRISPR/Cas9 系统，是改良自金黄葡萄球菌，其大小可以实现 all-in-one 腺相关病毒介导的基因编辑，大幅度提高体内基因编辑效率。

另一方面，我们在腺相关病毒 5kb 的载体限制范围内，增加了 CRIPSR 活性的“增强子”，有效增强了 CRISPR/Cas9 系统的表达能力，使我们的基因编辑工具在基因递送拷贝数较低的条件下仍然能高效表达。对基因编辑工具的优化解决了全脑基因编辑体系“卡脖子”的技术难点，在全脑实现高效基因编辑并改善 AD 神经退行病变的病理症状。

生辉：在研究过程中，遇到的困难能否分享一下？

叶玉如：在研究过程中我们遇到了许多的困难。其中印象最深刻的是最初的时候我们的全脑基因编辑系统无法有效地进行基因编辑。我们对比了其他的一些能全脑表达的载体，才发现我们的基因编辑系统缺失了一个能在基因递送拷贝数较低的条件下增强基因表达的一个元件。这个元件的缺失在对局部脑区进行基因编辑的情况下是不会造成很大的影响的。这告诉我们在开发新技术的时候要注意到方方面面，往往细节决定成败。

“将关注全脑基因编辑的安全性”

生辉：阿尔茨海默症在学术界乃至产业界，在近 20 年里，只有渤健颇受争议的新药获得 FDA 批准上市，目前热门的 tau 蛋白假说和 Aβ 假说也未得到验证，请问，您在编辑相关基因的时候，如何选择基因？出于什么考虑？

叶玉如：越来越多研究表明阿尔茨海默症是一种病因复杂的脑疾病，无法找到一个通用的发病假说或药物治疗所有患者，因此亟需针对疾病亚型开发精准的治疗方法，比如说家族性阿尔茨海默症 (FAD)这种与家族史高度相关的先天性的阿尔茨海默症的遗传病因是明确的，而且可以通过基因测序进行早期诊断，目前针对这一类 AD 患者缺乏有效的治疗方法。

位于淀粉样前体蛋白、早老素 1 和早老素 2 的 FAD 遗传突变可以直接导致阿尔茨海默症的相关病症。所以，我们认为直接消除或修复 FAD 遗传突变，从根源上治疗和缓解 FAD，可以成为治疗 FAD 的精准干预策略。据估计，现在中国有超过 500,000 名潜在的 FAD 患者。我们是希望能够给这类患者提供治疗机会。

生辉：这项研究的思路、想法是受到什么启发？

叶玉如：正如同我们刚刚说到的那样，家族性阿尔茨海默症 (FAD) 是与家族史高度相关的一类阿尔茨海默症，是由淀粉样前体蛋白 (APP)、早老素 1 和早老素 2 的基因突变引起，导致淀粉样蛋白 β（Aβ）过度产生的遗传病。尽管 FAD 的病因相对清楚而且可以在认知障碍发生之前进行诊断，但目前尚无针对 FAD 的有效治疗方法。

CRISPR/Cas9 等基因编辑技术的发展使得通过精准治疗直接消除或修复遗传突变，从根源上治疗和缓解遗传病成为可能。但由于 FAD 产生的神经退行性病变广泛影响大脑皮层和海马等多个脑区，单一的脑定位局部注射无法对像 FAD 这样影响多个脑区的疾病产生广泛且有效的治疗效果。因此，我们希望能够实现全脑范围的高效基因编辑，改善 AD 的病理症状，修复 AD 认知功能障碍。

生辉：论文中表示，在基因编辑后，大脑中被认为引发 AD 神经退行病变的淀粉样蛋白斑块，仍然保持较低水平，这是否意味着只能减缓 AD 的发生，并不能完全阻止或者中止？

叶玉如：可以这样说。一方面是因为我们是在小鼠开始产生淀粉样蛋白斑块后开始治疗，接受了基因编辑的细胞会停止产生淀粉样蛋白斑块。但原有的淀粉样蛋白斑块无法通过基因编辑直接消除；另一方面，β-淀粉样蛋白（Aβ）在脑内的产生和清除一直处于动态平衡，FAD 的发生是由于平衡被打破，我们的研究表明将 Aβ 保持在较低水平，可以重新恢复 Aβ 产生和清除的平衡，并在 AD 小鼠中产生长期治疗效果。所以，对于 AD 患者来说，及早治疗是至关重要的。特别是 FAD 患者是可以在认知障碍发生之前进行诊断的，相信及早治疗会有效提高治疗效果。

图 | 患有神经退行病变的小鼠大脑（左图）中存有大量被认为是引发AD元凶的淀粉样蛋白斑块，在进行基因编辑治疗后，相关的白色阴影明显下降（右图）

生辉：利用基因编辑的方式纠正引发疾病的基因突变，能够达到一次治疗、长期有效，但是，如果基因编辑有误，后续无法校正，这也是现在 RNA 编辑比较热门的原因，请问你如何看待这个问题？

叶玉如：基因编辑和 RNA 编辑各有利弊。基因编辑在“一次治疗、长期有效” 方面有它的独特的优势。虽然基因编辑如果出错，后续很难校正，但是在基因编辑作为治疗手段进入临床试验之前，会在细胞系、动物模型中进行大量的安全测试，在确保安全有效的前提下，才会对患者进行治疗。所以能够进入临床的基因编辑手段应该是安全无误的。RNA 编辑确实因为持续时间比较短，所以如果出现错误，可以及时停止。

但是 RNA 编辑对于那些长期影响生活的疾病的治疗效果可能就没有基因编辑的效果好，需要反复给药。总的来说，基因编辑对于长期影响生活的疾病可能会更合适一些，而RNA编辑可能对阶段性发病的疾病比较合适。另一方面，基因编辑和 RNA 编辑的安全性还需要更多的实验验证，将基因编辑和RNA编辑运用于临床还有很长的路要走。

生辉：下一步的研究计划可否分享一下？

叶玉如：正如同我们刚刚说到的那样，基因编辑的安全性需要更多的实验验证。我们下一阶段的研究计划就会着重关注全脑基因编辑的安全性。我们也会观察全脑基因编辑对 AD 小鼠的长期影响。同时我们会利用不同种类的  CRISPR/Cas9 系统对所有的 FAD 遗传突变做一个系统性的筛查，确保我们能利用 CRISPR/Cas9 系统消除或修复每个遗传突变，实现全覆盖的精准化个性化治疗。

生辉：实验室的其它课题能否分享一下？可能有哪些临床应用？

叶玉如：我们实验室致力于实现针对阿尔兹海默症的多种关键靶点的药物研发。除了新型的基因治疗手段之外，实验室也在筛选和研发传统的小分子和抗体治疗药物，例如：白细胞介素-33 靶向降低脑中整体炎症反应的水平；从中药中筛选得到的钩藤碱可以抑制 EphA4 受体活性，提高突触可塑性。

除了药物研发之外，我们还在研究 AD 患者的遗传信息和血浆里的生物标志物信息。我们也希望通过整合这些信息可以实现阿尔兹海默症的早期诊断。毕竟，对于 AD 患者来说，及早治疗是至关重要的。

参考资料：

• Yangyang Duan, Tao Ye, Zhe Qu, Yuewen Chen, Abigail Miranda, Xiaopu Zhou, Ka-Chun Lok, Yu Chen, Amy K. Y. Fu, Viviana Gradinaru, Nancy Y. Ip. Brain-wide Cas9-mediated cleavage of a gene causing familial Alzheimer’s disease alleviates amyloid-related pathologies in mice. Nature Biomedical Engineering, 2021; DOI: 10.1038/s41551-021-00759-0
• https://www.synthego.com/blog/alzheimers-crispr

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