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编号:10217338
基因转导心脏现状
http://www.100md.com 《现代诊断与治疗》 1999年第5期
     作者:李建军 夏 豪 李庚山

    单位:湖北医科大学附属一院心内科,湖北 武昌 430060

    关键词:基因治疗;心脏;基因转导

    现代诊断与治疗990516

    摘要:心血管疾病的基因治疗引人注目,心脏作为重要的靶器官倍受重视。业已证实,心肌细胞能摄取和表达外源基因,基因转导心脏可望成为多种心脏疾病治疗的新途径。本文综述基因转导心脏的基本概念及意义,基因转导心脏的方法及载体系统,并就基因转导心脏的问题及展望作一概述。

    中图分类号:Q 782;Q 814 文献标识码:A 文章编号:1001-8174(1999)05-0294-03

    Current Status of Gene Transfer into the Heart
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    LI Jian-jun,XIA Hao

    (Department of Cardiology,The First Affiliated Hospital,Hubei Medical University,Wuchang 430060,China

    近年来,心血管疾病的基因治疗引人注目。心脏作为重要的靶器官和心肌细胞作为重要的靶细胞亦倍受重视。迄今为止的研究表明,基因转导心脏可望成为多种心脏疾病治疗的新途径[1~15]。本文拟就基因转导心脏的研究进展作一综述。

    1 活体基因转导心脏的基本概念

    活体基因转导(Gene transfer in vivo)是指将含有外源基因的重组病毒、脂质体或裸露的DNA等载体直接导入活体心脏内[1~7]。它有别于回体基因转导(Gene transfer ex vivo),后者是将外源基因克隆至一合适的载体,首先转导入体外培养的自体或异体细胞,经筛选后,将具有表达外源基因能力的受体细胞重新输回试者体内。回体基因转导法比较经典,安全而且效果容易控制[5]。但步骤复杂,难度较大,不易推广。因心脏属于非增殖和分化细胞,回体基因转导难以用于心脏。而活体基因转导法操作简单,容易推广,与未来临床应用更为接近,故视为未来基因治疗心脏疾病的主要方法。
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    2 基因转导心脏的意义

    业已证实,采用活体转导法将外源基因转导入心脏后,心肌细胞能摄取和表达外源基因,为活体基因转导心脏治疗心脏疾病奠定了基础[4~7]。目前认为,活体基因转导心脏除可用于基因在心脏的命运等基因调控的研究外,尚可用于基因治疗。

    2.1 治疗心功能不全 心肌细胞是一种终末分化细胞,在胚胎时期可以增殖和分化,但出生后即失去增殖和分化能力。心肌肥厚或心功能不全时,心肌细胞肥大而不能增殖,代之以成纤维细胞,使心肌收缩力减弱。有报道将骨骼肌成肌调节因子或肌原性决定性基因(Myo D家族)转导入成纤维细胞,可以使其肌原化,恢复心肌的收缩功能,以治疗心功能不全[7],因为Myo D家族成员在心肌中的异位表达似乎能导致其向骨骼肌表型的转化。此外,最近有学者将Paralbumin基因转移致骨骼肌,可使骨骼肌转变为慢反应性肌肉,增加耐疲劳性[8]。此外,将生肌素的基因转移至心肌成纤维细胞,也可使成纤维细胞转变成类肌细胞,使其具有收缩的功能,这将为心功能不全、遗传性心肌营养不良的治疗开辟一条新的途径。
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    2.2 治疗缺血性心脏病 冠状动脉狭窄或阻塞导致心肌缺血,其预后除取决于狭窄的程度外,冠状动脉侧支循环建立与否及其发达程度亦至关重要。将具有促进冠状动脉侧支循环形成的血管新生因子如成纤维细胞生长因子(FGF)、血管内皮生长因子(VEGF)基因导入心脏,可增加侧支循环,防御或减少心肌缺血或坏死。目前,这种以促进冠状动脉侧支循环形成为目的基因疗法已用于临床试验[9]。此外,晚近有学者选用双链寡脱氧核苷酸(Double-stranded oligodeoxynucleotide,DSODN)作为核因子卡巴粒B(NF-κB)结合位点的“引诱物(decoy)转导入小鼠急性心肌梗死模型,获得了缩小梗死范围、改善心功能的效果[11,12]

    3 基因转导心脏的方法

    基因治疗的基本要求是安全、高效、特异,这样才能避免毒副作用,减少基因用量,增加疗效。因此合理选用活体基因转导心脏的方法至关重要。目前,活体基因转移心脏的方法包括:
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    3.1 静脉注射法 为观察活体基因转移心脏是否成功,最初研究者将含有Lac Z基因(β-半乳糖苷酶)的重组腺病毒经静脉注入小鼠,发现肌肉和心脏均能高效率地摄取并表达Lac Z基因。同时他们还发现仅一次性注射腺病毒入新生小鼠,其Lac Z基因可持续表达长达一年之久,且表达效率要比成年小鼠高得多,其机制推测与新生小鼠免疫功能尚未健全有关[11]。静脉注射法基因转入心脏最为简便,但所需载体用量较大,且可导致外源基因种植入基它非靶器官(心脏外器官),缺乏基因治疗所需的组织特异性之要求。故此法主要用于基因转导后,基因在体内的命运等基因调控的研究外。克服这一弊端的方法是在载体中选用心肌细胞特定启动子或心肌细胞特异配体,使外源基因仅限于心肌内表达,诸如研究正在探索之中。

    3.2 经胸壁心肌注射法 经胸壁直接将外源基因活体转导心脏的报道应用尚少[13]。该法的特点是具有一定的特异性,即可将含有外源基因的载体直接注入心肌。其操作简便,但有一定的盲目性并有失败的可能性。此外,因注射本身的机械损伤可引起心肌局部炎症反应[14]
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    3.3 冠状动脉内灌注法 即经皮穿刺股动脉送入普通的冠状动脉造影导管至冠状动脉窦,继之以导管尾端将含有外源基因的载体注入心脏。该法最初有密执安大学心内科Bar等试用,结果显示可将外源基因高效地导入心肌和心肌内血管[15],就方法学上而言,简便、可靠、无创,亦不会引起因直接心肌内注射所致炎症反应。缺点是仍可引起含外源基因的载体随血流弥散至心脏外组织,造成非特异性即非靶器官的表达,但其溢漏程度远较静脉注射法为低。我们试用该法将Lac Z基因注入心脏后3天发现,Lac Z基因同时在心脏和心脏血管中得到表达,即该法可将外源基因同时导入心肌和心肌内血管,可望成为未来基因治疗心脏病的转基因方法之一[7]

    3.4 经静脉心肌注射 该法由Li首创并引起同道们的极大兴趣[5],其方法是选用5F普通右心造影导管为导引导管,X线透视下,经皮穿刺股动脉将导引导管送入左心室。继之将尖端附着有注射针头、与导引导管相匹配的注射针导管刺入左心室壁,后将含有外源基因的载体注入心肌。我们使用该法将含有Lac Z基因的重组腺病毒载体注入成年犬心肌,结果发现Lac Z基因沿注射轨迹在心肌中得到高效率的表达,导基因的成功率达97.6%。经心肌酶学、心电图作远期观察,未见明显并发症[4,5,7]。不足之处是该法可因注射本身的机械损伤而引起心肌明显的炎症反应。但该法具有操作简便、可靠、安全、特异等优点,可能是未来基因治疗心脏的主要方法。
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    3.5 开胸心肌注射法 该法系开胸手术时,将含有外源基因的载体于直视下注入心脏,以治疗心脏病。缺点是仅适于开胸手术时的基因治疗。晚近,Schumacher等于冠状动脉搭桥术时,使用该法将βFGF注入局部心肌以治疗缺血性心脏病[9]

    3.6 心包转移法 选入心包腔作为导基因的途径既符合基因治疗所需特定的靶器官的要求,又能延长基因与心脏接触时间。我们的初步研究结果提示经心包导入含有LacZ基因的腺病毒载体后,心包壁、脏层均有Lac Z基因表达。此外,脏层下心肌亦可见呈灶状分布的LacZ基因表达,从而为活体基因转移心脏开辟了一条新途径[6]

    4 基因转导心脏的载体系统

    不同的真核表达载体有不同的基因表达效率。不同类型的启动子/增强子,内含子及转录终止序列等调控元件可直接影响基因的表达效率。其中,启动子是最为关键的元件。一般来说,SV和CMV启动子效果最好。
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    4.1 裸DNA转导法 裸DNA被认为是目前基因治疗中最有可能用于治疗心脏疾病的主要载体。本法是将含有外源基因的纯化闭环质粒DNA直接转移心脏并在心肌中表达蛋白质,分泌出细胞,作用于靶器官或细胞而达到治疗目的。其优点是简便、几无抗原性,与其它组织相比,裸DNA在心肌中能得到较好的表达,其原因可能与心肌细胞溶酶体系统活性相对较低有关,也有学者认为质粒DNA和T管腔膜之间有特殊的亲和力有关。但外源基因不能整合到细胞基因组中,故其表达时间短暂,持续3周左右。表达效率亦相对有限[5]

    4.2 脂质体介导DNA转导法 这一技术是基于DNA(带负电),阳离子脂质(带正电)所带电荷特性设计的。将脂质体与DNA特殊处理获得含DNA的脂质体微粒。它通过与细胞膜融合,经胞饮作用将外源DNA转移入心肌细胞。此法的优点是可携带较大的DNA分子,方法简便,且转导效率较裸DNA为高,目前认为Lipofectamine的转导效率最高[5]
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    4.3 腺病毒介导转导法 是迄今在转基因入心脏中应用得最多的转导载体。其最大优点是转导效率高,可转导像心肌等这样的非分裂性细胞,可携带较大的DNA分子,且易获得高滴度的病毒载体,因其不能整合至宿主细胞染色体,故对人类相对比较安全[1~4]。缺点是基因表达短暂,且可诱导机体产生免疫反应,重复使用可致转导效率明显降低。目前,人们正致力于腺病毒的改造,如将腺病毒的E2区移去,以降低其免疫性,利用组织细胞特异性启动子和增强子以提高基因转导的靶向性等[5]

    4.4 逆转录病毒介导转导法 文献报道较少用于导基因入心脏。其优点是载体构建简单,宿主范围广,可整合于宿主细胞基因组中获得稳定长期表达等优点。最大缺点是病毒滴度低,且可随机整合机体细胞,有可能给人类带来危害。

    此外,还有一些其它载体诸如腺病毒相关病毒载体、单纯疱疹病毒载体等也可用于活体基因转移心脏。
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    5 问题与展望

    虽然有关基因治疗心脏病的实验研究初步显示出良好的治疗效果和发展前景,但要真正地应用于心血管疾病的临床治疗,仍有许多问题需要解决。首先要充分阐明各种心脏病的发生与发展的分子生物学机制,且多数心脏病是一种多因素、多基因参与的疾病,其发生与发展的分子机理尚未完全明确[16]。因此,明确病变的关键基因和次要基因,采取多基因干预的方法已是目前基因治疗研究的方向之一[17]。其次目前所用的载体绝大多数缺乏组织特异性和靶向性,难以对靶器官、靶组织和细胞进行理想的定位治疗。因此,加强组织特异性基因表达载体的研究十分重要;此外,转移基因在体内复制、转录、表达调控及其器官细胞的关系还不十分了解,且目前基因治疗多采用基因增补的方式,这种基因治疗还是初步的、不完备的。可见,基因治疗心脏病尚处于起步阶段。然而,我们相信,随着生物学发展,基因治疗将会应用于临床,造福于人类。

    作者简介:李建军(1957-),男,湖北省汉阳人,1983年毕业于湖北医科大学医学系。1995年11月获日本九州大学医学部心血管博士学位。现为湖北医科大学附一院心内科主任医师。在中国、日本、欧美杂志发表论文90余篇。从事冠心病的基础与临床研究。
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    夏 豪 综述

    李庚山 审校

    参考文献:

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    收稿日期:1999-04-21, http://www.100md.com