肾脏疾病的细胞和基因治疗

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一、前言

肾脏疾病是全球患病和死亡的主要原因之一。目前肾脏疾病的干预措施包括透析和肾移植，但这些措施的疗效或可获得性相对有限，且往往出现心血管疾病和免疫抑制等并发症，因此迫切需要新的肾脏疾病治疗方法。已知多达30%的肾脏疾病病例是由单基因疾病引起的，其可能适用于细胞和基因治疗。目前已有数十种基因和细胞疗法被批准用于治疗其他器官的遗传性疾病，在肾脏疾病的细胞和基因治疗方面也有望取得一定进展。来自美国范德堡大学的Peek与Wilson等人于2023年4月在Nature Reviews Nephrology上发表“Cell and gene therapy for kidney disease”的综述，描述了细胞和基因治疗在治疗肾脏疾病方面的进展与潜力，以及肾脏基因和细胞治疗的几个关键考量因素。

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二、批准的细胞和基因疗法

基因治疗需要将特定的基因通过载体运送到特定的细胞群里中，并被整合到细胞基因组或作为基因模板来编辑基因序列。细胞可以在体内或体外被改造，用于攻击肿瘤或分泌特定物质治疗疾病。

目前全球有22种基因疗法、21种RNA疗法和59种非基因修饰的细胞疗法被批准应用于临床，它们大多局限于某些组织，包括视网膜、肝脏、肌肉和造血系统（图1）。这些组织的治疗方法和疾病的多样性为基因和细胞治疗应用于肾脏组织提供了希望。

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图1.全球已批准的细胞和基因疗法


三、细胞和基因治疗肾脏遗传性疾病的潜力

肾脏性遗传性疾病主要分为两类，一类是肾小球类疾病，如Alport 综合征、先天性肾病综合征等；一类是肾小管类疾病，细分为近端小管、髓袢、远端小管及**管等部位的疾病，如多囊肾病（ADPKD）、Bartter 综合征、Liddle综合征等。

如表1所示，肾脏疾病的细胞和基因治疗的遗传靶点并不缺乏，细胞和基因疗法或许可为肾脏疾病治疗带来新的希望。例如Alport综合征是由COL4A3、COL4A4或COL4A5基因突变引起肾小球基底膜α3α4α5（IV）胶原蛋白生成缺陷引起的。在Alport综合征小鼠模型中，可诱导的重新激活COL4A3基因可恢复足细胞α3α4α5（IV）胶原的表达，从而改善肾脏功能并延长寿命[1]。常染色体显性遗传多囊肾病（ADPKD）是由PKD1或PKD2基因突变引起的。研究人员有条件地灭活PKD1或PKD2基因以诱导ADPKD的发生，随后诱导灭活基因的重新表达，发现能够实现ADPKD关键特征的快速逆转[2]。法布里病（Fabry disease）是由α-半乳糖A（α-gal A）缺乏引起的，随着时间的推移会导致肾脏疾病。最近的一项研究从患者体内收集造血干细胞和祖细胞（HSPCs），通过基因修饰表达α-gal A，然后注射回患者体内。研究发现所有患者α-gal A活性接近正常且疾病严重程度均有所降低[3]。以上工作均表明肾脏疾病基因和细胞治疗存在巨大潜力。

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表1.肾脏遗传性疾病致病基因及发病率

四、细胞和基因治疗存在的技术因素
  
1、靶向：

肾单元是一个高度复杂的结构，包含多种特化的细胞类型。肾脏中至少有26种独特的细胞类型。因此，将治疗产品输送到肾脏特定区域内的特定细胞类型一直是肾脏基因治疗的主要障碍。值得注意的是，遗传性肾脏疾病起源于肾单位的所有部分，这意味着任何一种细胞类型都可能是靶向治疗肾脏疾病的目标（图2）。

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图2.遗传性肾脏疾病在肾单元内的靶向位置

2、遗传学：

在采用基因治疗方式时，有许多考虑因素。例如选择普遍存在的启动子还是组织或细胞特异性启动子或增强子、是否对转基因cDNA进行密码子优化、是否需要添加额外的元件来增强或稳定表达以及载体的转运能力。

3、可及性：

肾小球的滤过膜屏障对治疗颗粒的限制是肾脏治疗设计中需要克服的另一个障碍。从血液穿过肾小球进入肾小管管腔的颗粒必须穿过具有80 - 100纳米孔隙的肾小球内皮、3纳米孔隙的肾小球基底膜和32nm的足细胞足突。因此，一般认为大于10nm和50kDa的颗粒会被肾小球屏障主动排除。


4、载体类型：

载体分为病毒和非病毒载体，常用的病毒载体包括慢病毒、逆转录病毒载体以及腺相关病毒（AAV），非病毒载体包括质粒DNA、核苷酸和纳米颗粒等 （图3）。载体的选择涉及到大小、包装限制、免疫原性的差异以及货物是保持独立还是整合到基因组中。

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图3. 肾脏疾病细胞和基因治疗的载体考虑


5、载体进入途径：

载体可通过几种注射途径广泛进入肾单元，包括经肾动脉顺行给药、经输尿管逆行给药、全身给药和肾实质内给药。肾脏局部注射可以提高肾脏基因和细胞治疗的特异性靶向性，但全身给药更容易转化为临床。最终需要在载体的肾脏靶向及优化个体治疗的给药途径方面进行创新，以大限度地提高治疗效益，同时大限度地减少毒性和脱靶效应。

五、新兴技术和未来展望

细胞和基因治疗在肾病领域取得重要进展。有研究发现在小鼠ADPKD模型中，通过CRISPR-Cas9编辑去除3 \' UTR基序的这一部分或用寡核苷酸抑制时，囊肿的大小和生长都会减少。这表明基因编辑和寡核苷酸递送都可以改变疾病进展[4]。一项研究开发了一种包被非抑制性纤溶酶原激活剂抑制剂1R（PAI-1R）的新型纳米颗粒，能够通过肾小球血管开孔绕过肾小球滤过屏障的大小限制靶向系膜细胞。在人系膜增生性肾小球肾炎大鼠模型中，该纳米颗粒与小干扰RNA包装以沉默转化生长因子-β1 （TGF-β1），研究结果发现肾功能得到改善[5]。这项研究仅针对肾小球肾炎模型，但针对肾小球的纳米颗粒可以用于广泛的肾小球疾病，包括遗传性和获得性病变。

另外，病毒载体设计的显著进步也提高了肾脏基因治疗的可行性。病毒假分型（利用来自不同病毒的病毒包膜蛋白生产病毒载体的过程），允许研究人员改变病毒血清型的现有特异性。最近的一项研究设计了带有寨卡病毒包膜的慢病毒假型（ZIKV-E），因为寨卡病毒包膜对肾小管上皮细胞具有较强的亲和力；结果发现ZIKV-E在肾小管上皮细胞中的转导效率比慢病毒包膜高100倍[6]。


六、批准的细胞和基因疗法

肾脏疾病的细胞和基因治疗还处于起步阶段。由于肾脏细胞类型复杂、肾小球滤过屏障等众多因素，准确的将基因货物传递到肾脏仍然是肾脏疾病的细胞和基因治疗的主要障碍。目前，几乎所有肾脏疾病的治疗都采用支持性治疗，而未针对病因进行根本性治疗。鉴于肾脏疾病的高负担、发病率和死亡率，希望在不久的将来，基因和细胞治疗能为患者带来新的选择，改变现有的肾脏病治疗模式。

主要参考文献：

[1] Lin, X., Suh, J. H., Go, G. & Miner, J. H. Feasibility of repairing glomerular basement membrane defects in Alport syndrome. J. Am. Soc. Nephrol. 25, 687–692 （2014）

[2] Dong, K. et al. Renal plasticity revealed through reversal of polycystic kidney disease  in mice. Nat. Genet. 53, 1649–1663 （2021）.

[3] Khan, A. et al. Lentivirus-mediated gene therapy for Fabry disease. Nat. Commun. 12, 1178（2021）.

[4] Lakhia, R. et al. PKD1 and PKD2 mRNA cis-inhibition drives polycystic kidney disease progression. Nat. Commun. 13, 4765 （2022）.

[5] Liu, X., Zhang, J., Tang, A., Xu, L. & Huang, Y. A novel peptide ligand-coated nano-siRNA-lipoplex technology for kidney targeted gene therapy. Am. J. Transl. Res. 14, 7362–7377（2022）.

[6] Liu, J. et al. Efficient gene transfer to kidney using a lentiviral vector pseudotyped with zika virus envelope glycoprotein. Hum. Gene Ther. 33, 1269–1278 （2022）

作者： 邓玲玲 邬步云
来源：江苏省人民医院肾内科公众号

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