Science：裘依辰等开发新型基因疗法，精准按需治疗癫痫等大脑紊乱疾病

撰文丨甲遇庚

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

癫痫是大脑神经元突发性异常放电，导致间歇性神经精神回路障碍的一种慢性疾病。现有的药物治疗侧重于减少发作频率和/或严重程度，但通常疗效有限，甚至有高达30%的患者对药物治疗没有反应。基因治疗是治疗癫痫比较有前途的策略，因为该疗法能够以区域特异性和细胞类型特异性的方式调节神经元兴奋性。然而，目前的实验性基因治疗无法区分参与触发神经精神回路发作的神经元和健康的神经元，导致了不必要的伤害。因此，需要开发一种只选择治疗那些与产生病理有关的神经元。

近日，伦敦大学学院（UCL）Gabriele Lignan、Dimitri Kullma团队（裘依辰为第一作者）在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：On-demand cell-autonomous gene therapy for brain circuit disorders 的研究论文。

该研究提出了一种基于腺相关病毒（AAV）的基因疗法，通过利用响应癫痫相关活动而增加的生化信号降低了神经元的兴奋性，从而在不干扰正常行为的情况下产生持久的抗癫痫疗效。该疗法已在小鼠和人类迷你大脑癫痫模型中进行了测试，并得到了有希望的结果。

这些结果表明，这种活性依赖基因疗法是一种有前途的按需细胞自主治疗脑回路疾病的方法。

在之前的研究中，该团队研究的基因疗法是使用组成型启动子来驱动转基因的表达。这种基因治疗的关键是建立一些可以通过电活动调节的元件。例如，在化学遗传学中，基因治疗可以是永久性的，但通过药物控制疗效可以在治疗窗口中有更多的空间，而不会受到病毒载体剂量的影响。然而，化学遗传学并没有实现让治疗自动开启和关闭的目标。

该团队此前提出使用即刻早期基因（IEG）的启动子来标记神经元。IEG 似乎是保守的，可以通过调节其他基因的表达来响应活性。已知有几种生化途径聚集在 IEG 上。这些活性依赖性基因通过钙或神经递质响应强烈的神经元活动而开启，并调节其他基因的转录。IEG 启动子以前还被用于驱动光遗传学工具的表达以操纵记忆。

该研究共同通讯作者 Dimitri Kullmann 表示，使用 IEG 启动子后，如果癫痫消失，转基因表达就会下降，然后恢复到基线状态，就好像神经元没有被修改过一样。但这种对大脑不可逆转的操作令人担忧。因为对于参与癫痫发作的神经元来说，不知道是该方法触发了癫痫发作，还是下游神经元传播了癫痫。最关键的是，当癫痫发作时，IEG 启动的动态范围与神经元极其强烈的活动有关。我们经常被问及IEG是否足够“即刻”。它们开启的时间超过了半小时，而典型的癫痫发作持续时间通常不到半小时。我们不可能阻止最初的癫痫发作。因此，我们的策略是要防止下一次癫痫发作。

在这项新研究中，研究团队使用了 IEG 的基因产物 cFos 启动子驱动离子通道的转录以稳定神经元的兴奋性。此前有研究表明，从接受癫痫手术患者身上提取的组织中检测到 cFos，而且，患者手术前大脑中的病理活动与 cFos 的表达量相关。

研究人员创建了一个新的结构，其中 cFos 启动子驱动工程钾通道（EKC）的表达。当其过度表达时，该通道会降低神经元兴奋性和突触神经递质释放。

然后，他们使用 AAV 在广泛表征的 IEG c-Fos 的启动子下表达一种不稳定的荧光报告绿色荧光蛋白（dsGFP），并验证了 dsGFP 的表达在体外动态跟踪癫痫样网络活动。

在小鼠实验中通过许多不同的复杂行为测试，研究人员证明，这种方法特定于参与病理网络活动的神经元，但也会有时间限制。因为转基因表达仅在神经元过度活跃时才会持续。与此前使用组成型启动子或广泛使用的抗癫痫药物进行的基因治疗相比，这种新疗法使动物癫痫发作频率更大幅度的降低，并且对正常行为没有有害影响。

接下来，该团队成功将这个新的基因治疗系统应用于培养皿中的人类迷你大脑。在人类皮层集合体（hCA）中有效的初步证据强调了该策略转化的潜力。

论文第一作者裘依辰表示，这是一个来自人类的非常简化的系统，可以利用同样的 cFos-EKC 通道结构，它在响应化学刺激时打开，触发类似癫痫发作的电事件。事实上，与对照病毒相比，它减弱了第二次癫痫发作的程度。原则上它可以在人类大脑中发挥作用。

研究团队认为，鉴于活性依赖性基因治疗的组分是正常哺乳动物的遗传元件，而且可以包装在临床上耐受性良好的腺相关病毒（AAV）载体中。这为进行人体临床试验奠定了良好的基础。裘依辰表示，目前已经收集到了很好的数据，表明这一疗法不会产生行为脱靶效应，但真正进行人体临床实验还有很长的路要走。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6656

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