癫痫学堂

全面解读癫痫基因治疗的研究进展

发表时间:2021-03-23 10:04

据统计,全球大约有7000多万癫痫患者,我国大约有900多万癫痫患者,而每年新增癫痫患者达40-60万。


困扰神经科医生的一大难题是大约1/3的癫痫患者对当前药物呈耐药性,尽管新型的抗癫痫药物更为安全,副作用也更少,效果也更好,但对一些患者仍不起作用,对这些患者来说,癫痫是是毁灭生活的杀手。

来自伦敦大学 (UCL)的神经科医生和神经学专家Dimitri Kullmann说,"癫痫患者面临一系列问题:强烈的病耻感、不能开车、很难保住工作,使得药物难治性癫痫患者很难维持良好的人际关系。"


当前药物难治性癫痫患者寄希望于手术治疗,而一部分接受致痫区切除手术的患者反而出现更频繁的癫痫发作。这绝不是罕见现象,在美国每年约有500例这样的情况。


Kullmann希望基因治疗能规避这种情况的发生。他的团队和其他人正在研究将不同的基因导入癫痫患者的大脑从而在时间上和空间上实现特异性抑制癫痫。


癫痫有多种形式。癫痫被定义为不同性质、强度和频率的反复刻板样发作,这种疾病可以由多种原因引起,以不同的方式发展,影响大脑的不同结构。


癫痫既可以是局灶性的,即发作开始于特定的大脑区域,也可以是广泛性的,即发作产生在大脑的多个区域。局灶性癫痫更为常见,根据癫痫发作是局灶性发作还是全面性发作还可以对癫痫进行下一步细分。


此外,诱发癫痫的致痫灶的大小也存在差异,独立性病灶可能能被移除,但是如果其与重要的脑区联系,该患者仍无法手术。

兴奋与抑制


大脑的工作本质上是通过电-化学-电的形式进行,神经突触释放化学神经递质作为中介,将电信号从一个神经元传递到另一个神经元。兴奋性神经元释放神经递质从而兴奋邻近细胞的电活动,而抑制性神经元释放神经递质抑制电活动。


癫痫发作时大脑的电活动失控,在此期间兴奋和抑制之间失去了正常的平衡。目前的抗癫痫药物要么抑制兴奋要么增强抑制已达到新的平衡。但它们不分青红皂白地在整个神经系统中发挥作用从而产生广泛的副作用。


相比之下,目前的基因治疗策略是使用无害的病毒将一到两个治疗基因导入局灶性癫痫患者特定的致痫组织中。来自瑞典隆德大学从事这一领域研究的神经科学家Merab Kokaia认为,基因治疗更为个人化、更有针对性,而且可能副作用更少,因为我们治疗的是需要治疗的组织,而不是整个身体。基因治疗目前主要针对局灶性癫痫,而全面性癫痫的治疗可能需要更长时间的发展。

重建平衡


癫痫患者大脑中神经肽Y (NPY)的含量增加,这种化学物质是某些神经元在特别活跃时释放的。NPY作用于5个受体,Y1到Y5,其中一些是兴奋性的,一些是抑制性的。


值得注意的是,起着强烈抑制神经递质释放作用的Y2水平更高。总的来说,NPY的积累及其受体水平的改变似乎代表了一种适应性反应,这表明我们的大脑在失控时仍存在抑制兴奋性的代偿。


2004年,研究人员利用病毒载体将NPY基因导入癫痫模型鼠的脑中。NPY的过表达降低癫痫发作的频率。其他的动物实验也表明,过表达另一种神经肽-甘丙肽同样能抑制癫痫发作。


Kokaia开始尝试引入神经肽及其受体的基因。他发现单独过表达NPY会降低发作频率,但同时过表达抑性的Y2受体会显著提高抗癫痫治疗效果。Kokaia说:"我们试图通过基因疗法来促进大脑的自然反应"。


2015年,Kokaia在瑞典隆德联合创立了CombiGene公司,对这项技术进行商业开发。在过去的两年中,CombiGene证实了NPY-Y2联合治疗(现在称为CG01)在啮齿类动物癫痫模型中发挥抗癫痫作用。


该公司也已经成功地将NPY和Y2基因导入了癫痫患者的脑组织中。基于人类脑组织的研究也证明由于人类神经元缺乏对其的功能受体,甘丙肽不能发挥抗痫作用。


Kullmann进入癫痫研究领域极其偶然。他的团队彼时正在致力于研究另一种神经系统疾病,即间歇性共济失调。他们利用电压门控钾通道—Kv1.1,这是在一种应用电学原理降低神经元兴奋性的离子通道。该小组制造了能将编码Kv1.1的基因转移到神经元中的一种病毒。因为附近的一个实验室经常使用啮齿动物的癫痫模型,Kullmann和他的同事在这些动物测试这一技术。2012年发表的研究结果显示,导入Kv1.1编码基因后癫痫发作的频率大幅下降。


Kullmann和伦敦大学的同事Stephanie Schorge在三个不同的动物模型中观察到这种效应后,开发了一种病毒载体,它将一种经过修饰的Kv1.1基因特异性引入兴奋性神经元,其他类型细胞中此不表达。原则上,CG01或Kv1.1可以长期抑制单次注射后的癫痫发作,其基因可以在表达的神经元上持续发挥作用进而稳定神经元兴奋性。


触点激活


转化医学以广泛使用的基础研究的基因治疗的技术为基础开发出若干可应用于临床的替代方法。这些方法更加复杂,但与CG01或Kv1.1相比具有潜在优势。


例如,视蛋白是一种被光激活的膜蛋白,编码它们的基因是从微生物中分离出来的。当光照时,一些膜蛋白兴奋神经元,而另一些抑制神经元。研究视蛋白最大的吸引力在于,当大脑功能正常时,它们可以在神经元中保持惰性,只有在需要时才会被激活。


来自明尼阿波里斯市明尼苏达大学的神经学家Esther Krook-Magnuson已经证明,应用视蛋白可以控制老鼠的癫痫发作。她的研究小组将抑制性视蛋白导入大鼠致痫区内,然后植入电极观察大鼠发作状况,同时利用光纤激活视蛋白。自动检测程序探测一旦检测到首发的癫痫活动异常放电,光路打开,癫痫发作提前解除。


Krook-Magnuson指出,将电极和光源植入人体的损伤将小于目前切除大脑某个区域的手术治疗。然而,这个系统需要一种可靠的癫痫检测方法、有效的光传递技术以及一种将适量的病毒导入特异性神经元的方法。在应用于临床前,必须对所有这三个组件进行优化。

DREADDs是利用基因工程技术设计的受体,就像视蛋白一样,除非受到刺激,一般情况下它们会静静地大脑里。但这种刺激是一种药物,而不是光照。


Kullmann和Kokaia都发现,当编码抑制DREADDs的基因通过病毒载体导入癫痫模型的致痫区时,DREADDs可以抑制癫痫发作。如果将这种疗法应用于人类,人们可能会以与目前癫痫药物类似的方式定期服用这种激活药物,但好处是药物仅作用于DREADDs转染的脑组织中。或者,人们可以通过植入自动反馈的闭环药物输送系统,当这一系统探测到癫痫发作的第一个迹象时就释放药物。


Kullmann还在探索一种最初在线虫中发现的离子通道。在线虫中,谷氨酸门控的氯离子(GluCl)通道是一种被谷氨酸神经递质激活的抑制性离子通道。但在哺乳动物中,谷氨酸是主要的兴奋性神经递质,在癫痫发作期间驱动过度兴奋的电活动,没有一种谷氨酸受体是抑制性的。


Kullmann和他的同事Andreas Lieb对基因工程制作的使用药物激活的GluCl通道的很感兴趣,但随后他们了解到,GluCl的突变可以改变其对谷氨酸的敏感性。如果他们利用突变的GluCl通道,它对正常水平的谷氨酸不敏感,但在癫痫发作时被高水平的谷氨酸激活。


这可能成为新型的基因治疗方法:一个重新编码的抑制性的离子通道,通常是不活跃的,但在癫痫发作时被激活。早期的试验结果令人鼓舞:在两个大鼠模型中,GluCl都降低了发作频率。

前期临床试验


今年1月,CombiGene与伦敦细胞与基因治疗中心合作,推动CG01的临床试验。今年4月,Kullmann从英国医学研究委员会获得了近200万英镑(约250万美元)的资助,将改良后的Kv1.1推广到临床。


一些技术上的障碍仍然存在。人类大脑的体积大约是已测试过病毒载体的老鼠大脑的700倍。但使用NPY-Y2和Kv1.1的一个主要优势是,它们来自人类基因,因此不太可能引发免疫反应。


相比之下,来自线虫的微生物的视蛋白和GluCl则有被免疫系统排斥的风险。CombiGene公司首席执行长尼尔森希望基因疗法可以适用于所有药物难治性的局灶性癫痫患者,包括因切除组织体积较大或位置不佳的患者。


但就目前而言,CombiGene和Kullmann的研究小组正在计划进行安全性和耐受性试验,试验将只涉及正在等待手术的药物难治性癫痫患者。这并不是因为这个群体是基因治疗的唯一预期接受者,而是因为他们提供了一个独特的机会。


这种病毒很可能是在术前探测致痫区时注射,然后在患者等待手术的数周至数月期间,病毒进入神经元并储存其遗传信息。在第一阶段的试验中,外科医生肯定会切除致痫区。研究人员利用切除组织仔细检查基因传递是否有效,并将提供一种故障安全机制,以便在出现任何安全问题时切除转基因组织。


另一种选择是人们可以选择不做手术。如果基因疗法要被批准用于癫痫,就需要进行大量更大规模、更严格的对照试验,专门研究癫痫的抗癫痫效果。但是库尔曼自己设想的第一次探前期临床试验的最佳情况。他说,那些在基因治疗后停止癫痫发作的人,可能选择不做手术,选择通过DNA而不是服用传统药物来控制癫痫发作的策略。


参考文献:

Drew L. Gene therapy targets epilepsy. Nature (2018) 564(7735):S10-S1. doi: 10.1038/d41586-018-07644-y. PubMed PMID: 30542182.

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