基因药物递送系统——基因治疗的核心动力

申有青

（浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310058）

自从DNA双螺旋结构和中心法则被人类发现以后，人类就希望通过干预遗传信息来进行疾病治疗。这类通过分子生物学的方法将正常的或有治疗作用的基因序列导入细胞中，用于纠正或补偿基因的缺陷，从而达到对疾病治疗效果的疗法被称为基因疗法。基因疗法是一种非常有前景的疾病治疗策略，对遗传性疾病、病毒感染和癌症等都有很好的疗效。而由于基因治疗的核酸及所需蛋白质存在电荷较高、体积较大等问题，很难独自穿过细胞膜进入细胞中。因此，只有借助于合适的递送系统才能进入胞内，实现治疗作用。事实上，早在20世纪70年代，美国著名科学家Friedmann和Roblin就已经提出了基因治疗的概念，但苦于没有很好的递送系统，一直都无法实现临床的应用。直到病毒和非病毒基因递送系统逐渐被人类开发出来，基因疗法才实现了跨越式的发展，特别是mRNA新冠疫苗的成功开发，掀起了全球基因治疗研究的热潮。目前已有多种基于核酸的药物被开发出来或正处于临床研究阶段，核酸药物也因此被业界认为是继小分子和抗体药物后的第三大类药物。

1 病毒载体作为递送系统发挥的重要作用

在数百万年的进化过程中，病毒通过自然进化克服了生物体内的递送障碍，适应了生物体内的环境，能在宿主细胞中实现生存和复制，将核酸运送到各种类型的细胞中。基于这些特性，病毒是核酸药物的天然载体，可将基因、核酸或者其他的遗传物质运送到靶点组织、靶点细胞并产生治疗作用，多种病毒载体已经被开发用于基因治疗。病毒载体的主要优势就是其能够保护其中的核酸药物免受生物降解，同时具有优良的跨越细胞屏障的能力。1999年，第一项基因疗法的临床试验就采用了病毒载体，并且被证明是成功的。2003年，我国批准了世界第一款基因治疗药物（Gendicine），其被用于头颈癌治疗，使用的是重组的腺病毒（AV）。2012年，欧洲药品管理局（EMA）也批准了其首个基因治疗药物（Glybera）用于脂蛋白脂肪酶缺乏症的治疗，该药使用了腺相关病毒（AAV）载体。美国FDA于2017年才批准其第一款基因治疗药物（Kymriah），该产品是以慢病毒（LV）为载体的CAR-T疗法。到目前为止，应用于基因治疗的病毒载体主要包括AV、AAV和LV等。令人兴奋的是，已经有超过12款基于病毒载体的基因治疗药物被批准用于癌症、传染病、单基因遗传病等疾病的治疗，且其临床应用范围还在不断扩大。目前，以病毒作为载体的基因疗法的临床试验已经超过了1 000项,充分展现了病毒载体在基因治疗中的广阔前景。

2 非病毒载体的兴起与发展

虽然病毒载体具有高转染效率的优势，是基因疗法中常用的载体，但由于其装载能力有限、免疫原性以及诱发突变等风险，它们的应用受到严重的限制。此外，由于病毒携带的基因会在细胞中长期表达，可能产生较严重的毒副作用。而非病毒载体因其免疫原性低、安全性高、稳定性高和易于化学修饰等优点受到了越来越多的关注和重视。此外，非病毒载体也易于大规模制备，同时不受递送的基因序列大小的限制。基于此，大量的非病毒基因递送载体[如聚合物材料、无机纳米材料、细胞穿膜肽、阳离子脂质、N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）等]被开发用于基因治疗。其中，脂质纳米粒（LNP）和GalNAc这2种递送系统已在临床中实现了大规模的应用。早在2018年，FDA就批准了第一款siRNA药物patisiran，用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性（hATTR），该产品使用的就是LNP递送系统。近来获准上市的2款mRNA新冠疫苗BNT162b2、mRNA-1273，也使用了LNP递送系统。目前，这2款疫苗在全球被接种了超过数十亿剂。此外，多项基于LNP的病毒疫苗和肿瘤疫苗正处于临床试验中。GalNAc递送技术是将GalNAc修饰的小干扰RNA用于肝细胞的靶向递送。GalNAc对脱唾液酸糖蛋白（ASGPR）有很高的亲和力，ASGPR是一种数量众多的异源低聚物的内吞型受体，只在肝脏实质细胞的细胞膜上有大量表达，能特异性地识别并结合GalNAc。目前第1个GalNAc修饰的siRNA药物Givlaari已经于2019年被FDA批准用于治疗12岁及以上青少年和成人的急性肝卟啉症（AHP），且多项基于GalNAc技术的小RNA药物正处于临床研究中。以上例子表明非病毒载体已经在基因治疗中取得了巨大的突破。然而需强调的是，非病毒载体也存在一些缺陷，比如相比于病毒载体，非病毒载体的转染效率低、基因转染机制不清和宿主细胞反应机制是人们关注的主要问题。另外，目前关于非病毒递送载体的研究绝大部分还是集中于肝脏递送，如何实现肝外组织或者器官的靶向递送，仍然未有效突破。解决好上述问题，将有助于非病毒载体用于更多疾病的预防及治疗。

3 本期文章点评

目前，以新型递送系统为基础的基因疗法是国内外药物研究中一个热点话题。本期“基因药物递送系统的创新与应用”专题，邀请了来自学术界和产业界的专家学者，结合自身的研究领域对基因药物递送系统的国内外最新研究进展进行了较为详细的介绍。

由中国药科大学药学院姜虎林教授团队撰写的《线粒体单基因突变罕见病的基因治疗研究进展》，介绍了线粒体单基因突变罕见病的致病机制和目前的困境，包括难以诊断、难以治疗甚至无药可治，以及给社会和家庭带来的危害和负担。基因组学、基因编辑技术和基因药物递送系统的发展，为这些线粒体单基因突变罕见病的治疗带来了希望。作者以具有代表性的线粒体单基因突变遗传病——线粒体脑肌病伴高乳酸血症和脑卒中样发作（MELAS）综合征、肌阵挛性癫痫伴不规则红纤维（MERRF）综合征以及Leber遗传性视神经病变（LHON）为例，对其病理特征、基因药物递送的难点以及目前的临床研究现状等进行了系统的综述。此外，作者同时对线粒体单基因突变罕见病治疗面临的挑战和前景也予以较为详细的讨论。

由浙江大学药学院平渊教授团队撰写的《智能刺激响应型基因编辑工具递送系统研究进展》对智能响应药物递送系统用于基因编辑工具（CRISPRCas9）的递送这一前沿领域进行了较为深度的综述。平渊教授课题组近年来一直致力于智能药物递送系统用于生物大分子的精准递送，特别是对于CRISPR-Cas9基因组编辑工具（质粒、mRNA、核糖核蛋白）的递送。本综述中，作者介绍了目前病毒和非病毒载体的研究进展和各自的优缺点，以及学术界和产业界重点关注的用于CRISPR-Cas9基因编辑工具递送的载体的发展现状。文章分别详细介绍了内源性（pH值、氧化还原因子、酶等）和外源性（声、光、电、磁和小分子等）的刺激响应性载体在CRISPR-Csa9工具递送中的应用，为基因治疗产品的深度开发提供了有益的思路与参考。

疾病部位的氧化还原环境与疾病的发生发展密切相关。基于这一病理特征，研究人员借助于氧化还原敏感基团，开发了一系列氧化还原响应型药物递送系统，用于实现核酸药物的按需递送。由中国药科大学药物科学研究院刘潇璇教授与朱丹丹博士等撰写的《氧化还原响应型聚合物在核酸药物递送系统中的应用研究进展》，详细介绍了疾病部位的氧化还原微环境，对各类不同的氧化还原响应型核酸药物递送系统用于癌症及炎症等疾病治疗的思路及最新研究进展进行了归纳和总结，并讨论了氧化还原响应型核酸递送系统的合理构建与设计策略，同时提出了这些递送系统的前景、挑战以及在临床转化方面的思考。

由哈药集团产品战略总监、立项部总监魏利军先生与立项部高级经理陈欢博士撰写的《RNA药物非病毒递送系统研究进展》，介绍了RNA药物的发展历程和目前已经上市的以RNA为基础的代表性药物，并重点对目前已投入产业应用的RNA药物递送系统进行了较为系统的综述，主要包括LNP递送系统、生物偶联递送系统（特别是基于GalNAc技术的偶联递送系统），以及外泌体载体递送技术。作者同时对这些非病毒递送技术目前的难点、痛点和未来的发展方向进行了综合评价。

4 结语与展望

2020年，随着全球新冠疫情的蔓延，辉瑞和莫德娜的两款新冠疫苗被快速地研发并推向市场，以LNP为代表的新型核酸药物递送系统在疫苗研发中起到了至关重要的作用，间接说明了递送系统对于基因疗法的核心作用。以上4篇综述，分别从多个角度介绍了目前核酸及基因药物递送系统的研究现状，虽然分别关注不同背景的药物递送系统，思考的角度也不尽相同且各具特色，但最终均聚焦于基因治疗这一点，说明新型的药物递送已经是基因药物发展非常重要的瓶颈。如何开发智能、精准的基因及核酸药物递送系统，进一步提高递送效率、降低递送系统的毒性、实现对肝脏外其他组织和器官的特异性递送将是目前基因递送系统领域的研究热点，同时以临床需求为导向来开发新型的基因递送系统也是值得认真思考、努力探索的问题。另外，随着细胞对核酸药物的摄取转运机制和疾病发病机制研究的更加深入，以新型核酸递送系统为基础的基因治疗必将获得更大的突破和成功。以基因编辑技术（如CRISPR/Cas9）为基础的基因精准改造技术的发展，将会推动基因治疗迅速拓展其疾病治疗范围，迈向一个新的时代。可以相信，在不久的未来，新型基因递送系统和基因编辑技术将提供更多个性化、精准的治疗手段，造福广大患者。

致谢：

本文在撰写过程中得到浙江大学药学院平渊教授与郭家晶博士的大力协助，在此表示感谢！