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编号:10505521
中枢神经系统疾病的基因治疗
http://www.100md.com 《解剖学报》 2000年第0期
     作者:王怀经 李振中

    单位:山东医科大学解剖学教研室,济南250012

    关键词:

    解剖学报00zk08

    【中图分类号】 R742 【文献标识码】 A 【文章编号】 0529-1356(2000)-增-29

    GENE THERAPY IN CENTRAL NERVOUS SYSTEM DISEASES

    基因治疗指在基因水平上进行操作而达到治疗疾病的所有 方法。近十几 年来,基因治疗作为一种全新可行的治疗战略正开始进入临床试验,其治疗范围不断扩大。 基因治疗从实验室到临床应用的速度大大超过了人们的预想[1]。将基因治疗的应 用扩展到中枢神经系统,可能为这一系统疾病的治疗提供一个全新的途径。目前,对中枢神 经系统疾病的基因治疗,多数学者已渐持乐观的态度,即中枢神经系统的疾病或缺陷也可能 确实在基因水平上得到纠正。然而对哺乳动物的中枢神经系统来说,基因治疗技术的应用还 存在一定的困难,这是因为神经系统各个部分相互联系,作用复杂,神经系统错综复杂的分 子机制尚未完全明了;另一方面中枢神经系统的病因又多是多基因、多因素的,同时大多数 成熟神经元缺乏分裂增殖的能力,基因转导极其困难;而且,中枢神经系统还难以接近,基 因转移载体要通过血脑屏障等等,所有这些,致使中枢神经系统疾病基因治疗的临床实践进 展颇为缓慢,目前尚无成熟方案应用于临床。然而在中枢神经系统疾病基因治疗表达载体构 建、细胞和病毒的基因转移载体研究、分子操作对象的中枢神经系统靶细胞的研究以及对中 枢神经系统疾病发生发展的分子机制的探讨等基础研究方面取得了巨大的进展,并且在神经 系 统疾病动物模型上的基因治疗也取得了成功[2~6]。有鉴于此,本文简要讨论当前 中枢神经系统疾病基因治疗基础研究的有关问题,并就临床实践提出展望。
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    1.中枢神系统疾病基因治疗的策略

    根据宿主中枢神经系统病变的不同,其治疗策略也不同,一般有4种:基因替代、 基因修正、基因增强、基因抑制和/或基因失活。

    基因替代(gene replacement):指去除整个变异基因,用有功能的正常基因取而代之,从根 本上纠正致病基因,使其得到永久的更正,达到根治神经系统疾病的目的,是最为理想的基 因治疗策略。但目前的基因操作技术还存在困难,另外还可能是多基因疾患“替代”,因此 这一策略一时还难以实现。

    基因修正(gene correction):将致病基因的突变碱基序列纠正,而正常部分予以保留。实施 这一策略目前同样存在着困难。

    基因增强(gene augmentation):指细胞内剪接目的基因并表达产物,改变缺陷细胞的功能 或使原有的功能得到加强。这是目前较为成熟的方法。
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    基因抑制(gene constraint)和/或基因失活(gene inactivation):导入外源基因去干扰、 抑制有缺陷基因的表达。这也是目前可采用的策略。

    2.中枢神经系统疾病基因治疗的途径

    实行基因治疗的途径有二:一种是在体靶细胞的转染,即直接基因治疗途径,不需体外培养 靶细胞,将含外源基因的重组病毒、脂质体或裸露的DNA直接导入中枢神经系统内[6~ 8];另一种是离体靶细胞的转染,即间接基因治疗途径,将外源基因克隆至一个合 适的载体,首先导入体外培养的自体或异体靶细胞,经筛选后将能表达外源基因的靶细胞重 新输回受试者中枢神经系统内,实质上就是遗传修饰细胞的脑移植[9,10]。间接 基因治疗的方法比较经典、安全,效果易于控制,但步骤多、技术复杂、难度大、不容易推 广;直接基因治疗途径的方法操作简便,实用性强,容易在临床推广,但目前这类方法尚未 成熟,存在疗效短、免疫排斥及安全性等问题,但它是基因转移研究的发展方向,只有直接 基因治疗途径的方法成熟了,基因治疗才真正能走向临床。
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    2.1 中枢神经系统疾病基因治疗的体内方法:所有基因治疗策略的主要目的之一就是 建立某种方法,以便将有治疗作用的遗传物质直接送到体内的靶组织。然而在中枢神经系统 中,DNA介导的基因转移的效率非常低,必须用更为有效的病毒载体;完整的血脑屏障对载 体介导的基因转移发挥效率也是一个难以克服的障碍。另一方面的困难是大多数中枢神经系 统失调的靶细胞,成熟的有丝分裂后神经元对通常所用的载体有抗感染作用。逆转录病毒(r etrovirus)载体的感染和转染基因的稳定表达需要细胞复制,因此近年来开始研究在非复制 细胞如神经细胞中高效感染的病毒载体--嗜神经病毒,如疱疹病毒。虽然对中枢神经系统 疾病的直接基因治疗在最近的将来尚不能广泛开展,但这些研究已为此打下了基础。

    2.1.1 单纯疱疹病毒载体:单纯疱疹病毒(herpes simplex virus)为双链DNA有包膜的病 毒 。目前常用的是单纯疱疹病毒I型载体,其对中枢神经细胞基因转移特别有吸引力,这是因 为它具有以下优点:可以感染有丝分裂后细胞,具有嗜神经性,特别容易感染神经细胞;DN A不整合到宿主细胞基因组中,但可与被感染细胞建立长期潜伏的关系,有可能引起稳定表 达,且不会引起被感染细胞插入突变的可能性;插入基因片段大。但其具有潜在的神经毒 性,危险性高,在这一问题解决之前还难以用于临床基因治疗实验[2,11]
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    2.1.2 腺病毒载体:腺病毒(adenovirus)是一类双链DNA无包膜病毒。其优点是具有感染 有 丝分裂后细胞的能力,效率高,可达很高滴度;因其不整合至宿主细胞染色体,对人类比较 安全,神经毒性低等。其缺点是具有致病性;基因表达短暂;可引起宿主免疫反应;有插入 性突变的危险。在腺病毒普遍使用以前,必须克服这些问题[12~14]

    2.1.3 腺病毒相关病毒(adeno-associated virus)载体:腺病毒相关病毒是一种缺陷型 单 链DNA微小病毒,既能感染分裂细胞又能感染非分裂细胞,可整合到宿主细胞基因组,基因 表达稳定;缺点是可插入片段小,病毒蛋白对细胞有一定毒性。可用于神经变性疾病的 基因治疗[5,15]

    随着人们对病毒的基因表达和细胞毒性机制的了解,应发展能够感染并整合于分裂后细胞的 逆转录病毒载体。在中枢神经系统基因治疗方面最令人振奋的前沿之一就是将制备出几类新 的高效逆转录病毒载体。能在体内有效地转染有丝分裂后细胞。从人类免疫缺陷I型病毒(hu man immunodeficiency virus type I)在许多非增殖细胞复制的不寻常能力来看,这是可能 的。同时,为了对抗人类免疫缺陷I型病毒严重的毒性,目前又首次发展了抗人类免疫缺陷I 型病毒基因(anti-human immunodeficiency virus type I gene)来对抗这一毒性,已有证 据表明,发展抗人类免疫缺陷I型病毒基因治疗中枢神经系统疾病是将来的一个发展方向 [16]。但仍应优先发展中枢神经系统的非病毒基因转移技术,最新的研究结果发现, 用阳离子脂质体介导的神经营养因子基因转移治疗中枢神经系统损伤已显示出其潜在的应用 前景[17]
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    2.2 中枢神经系统疾病基因治疗的离体方法:选择什么样的受体细胞作为脑内移植的靶 细胞 (基因修饰细胞)是基因治疗的一个关键因素,理想的靶细胞应符合下列条件:容易获取:来 源于中枢神经系统;移植后能长期存活;移植后对宿主没有不良反应且不分泌有害因子;能 与周围神经细胞发生功能性整合;无免疫原性及形成肿瘤的危险;比较容易进行基因转移操 作。

    根据中枢神经系统疾病的性质、基因治疗的策略,靶细胞可以选择神经元前体细胞、原代神 经元、细胞系、神经胶质细胞、骨髓干细胞、成纤维细胞、成肌细胞等。

    2.2.1 原代神经元移植:原代神经元在体外培养中被证明是不可能长期存活的,即使在 严 格条件下适宜的培养基中,神经细胞也最多出现一定程度的分化,如长出突起,但很难使其 增殖,而只有可繁殖或有丝分裂的细胞才能通过一般的转导技术或逆转录病毒载体转染整合 外源DNA。胚胎神经元具有分裂增殖能力,因而可作为基因修饰细胞,但体外培养也是比较 困难的。这使得中枢神经系统疾病基因治疗的转基因载体系统的研究复杂化,也就是说,原 代神经元作为靶细胞具有很大的局限性,体外操作困难。
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    2.2.2 祖细胞的移植:最近,已在中枢神经系统不同区域鉴定出能分化神经元或神 经胶质细胞的神经祖细胞(neural progenitor cells)[18]。这些细胞在移植到胎 儿或幼儿大脑后,能发育成适当结构,并且当移植后,可在发育成熟的中枢神经系统中长时 间表达转基因标记lac Z。这些细胞也称中枢神经细胞前体(precursors)[19]或神 经 干细胞(neural stem cells)[18~20]。由于这些细胞具有可塑性,所以可对其进 行遗传修饰并移植到受损伤或病变的中枢神经系统中以替代受损伤的、异常的或退变的神经 功能,探索这些基因修饰细胞用于中枢神经系统疾病治疗的研究已成为现代神经科学 研究领域中的前沿内容之一,虽然目前尚处于研究的起始阶段,但已显示出令人兴奋的前景 。 利用适当的发育及分化信号遗传修饰的中枢神经祖细胞将可用于修复中枢神经系统的结构和 功能[18~20]。条件性永生神经细胞系为具有有丝分裂能力的神经元前体细胞,能 够无限期地在一种条件下增殖和进行遗传控制,也能在另一种条件下停止分泌和复制。条件 性永生细胞可以成功地进行遗传修饰并有希望成为神经系统疾病细胞治疗和基因治疗的重要 工具[20]
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    2.2.3 胶质细胞:胶质细胞(glial cells)主要是来源于胚胎或新生脑组织中星形胶质细 胞 和少突胶质细胞。在成熟的脑组织中虽然神经元缺乏分裂的能力,但上述胶质细胞在体外具 有分裂增殖的能力,而且星形胶质细胞在离体条件下的生存期较长,适宜作基因转移的工 程细胞。

    2.2.4 骨髓干细胞的移植:哺乳动物中枢神经系统中所含的某些细胞可能是来源于骨髓 ,如小胶质细胞等。人小胶质细胞用组织相容的正常供体骨髓或用遗传修饰的自体骨髓进行 骨髓移植,可将有潜在治疗功能的外源基因导入中枢神经系统中。该工程细胞可产生特异的 靶基因产物,并趋向有病变的神经元。

    2.2.5 成纤维细胞和成肌细胞的移植:为了克服神经细胞作为靶细胞的困难,可采用非 神 经细胞作为靶细胞。成纤维细胞和成肌细胞就是较为理想的非神经源受体细胞[9] 。成纤维细胞在体外培养较容易,逆转录病毒载体及化学、物理方法能够高效地转导基因 ,成纤维细胞可从特异宿主取得,主要来源于皮肤成纤维细胞,在体外培养转导基因后,再 重新移植入宿主体内,从而避免了移植物排斥反应。但操作不当移植后有形成肿瘤的危险。 成肌细胞作为基因治疗的受体细胞具有很大的优势,成肌细胞寿命较长,适于较长期的外源 基因表达,且来源丰富,容易取出和培养,具有一定的分裂功能,对常用的物理、化学及逆 转录病毒载体的基因转导也很敏感,容易移植,外源基因易形成长期稳定的表达。但对其 是否具有成瘤性尚需进一步探讨。非神经源受体细胞的选择,大大推动了神经系统疾病的基 因治疗研究。
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    3.结语

    中枢神经系统疾病的基因治疗在目前还是不成熟的治疗手段。目前需要解决的主 要问题是:寻找更多更有价值的目的基因;表达转基因的持续性;外源基因导入适当靶组织 的靶向性;逆转录病毒和腺病毒相关病毒的位点特异性整合;基因对分裂后细胞的稳定转移 ;宿主对病毒载体的免疫反应;非整合载体的短暂表达等。尽管目前对于基因治疗还存在许 多技术难题,但随着人类基因组计划的实施,基因表达调控机制的阐明,转基因技术的发展 和转基因方法的完善,已经为转基因治疗奠定了坚实的基础,在已经奠定的基石上,我们已 经看到了基因治疗诱人的前景,至于基因治疗何时在临床实践中得到广泛应用,还需各方面 科学家多年的共同努力。

    【作者简介】王怀经(1945-),男(汉族),山东济南市人,教授

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    【收搞日期】2000-07-04

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