心力衰竭基因治療的研究進展

李雪杰 綜述 陳暉 審校

(首都醫科大學附屬北京友誼醫院心內科，北京 100050)

心力衰竭是由多種臨床綜合征所組成的一種復雜且進行性進展的疾病，是世界范圍內死亡和致殘的主要原因之一，其主要表現為心臟不能向生物體提供足夠量的血液以維持代謝需求。此外，心力衰竭可由多種病理改變所致，包括心肌梗死、壓力超負荷(主動脈瓣狹窄和高血壓)、炎性心肌病(心肌炎)和容積過載(瓣膜反流)[1]。這些不同的病因導致應激刺激的延長，其中涉及到的細胞因子和細胞反應會引起心室重構，出現如心肌細胞肥大、纖維化、凋亡和內皮功能障礙，隨后心臟結構及舒縮功能受損[2]。

心力衰竭的治療主要采用藥物療法，雖然目前藥物治療可以一定程度上控制疾病，但其不能從根本上治療心力衰竭。隨著分子生物學的發展及人類基因學的研究進展，現代認為心力衰竭與心肌細胞某些基因表達、調控異常有關。采用基因治療心力衰竭已經成為一個新的前景。迄今為止，基因治療心力衰竭在動物實驗模型中已獲得成功，并開始應用于人的心臟，其主要研究如下。

1 鈣循環相關基因治療

1.1 肌質網Ca2+-ATP酶

肌質網Ca2+-ATP酶(SERCA2a)在調節心肌細胞中的胞內Ca2+濃度起到關鍵作用。Ca2+在心臟舒張期通過SERCA2a從胞內返回到肌質網。研究發現，心力衰竭的心肌細胞中，Ca2+在收縮期濃度降低，舒張期濃度增加，提示SERCA2a存在Ca2+重攝取異常，并有研究證明SERCA2a在心力衰竭中的表達和活性降低[3]。Beeri等[4]證實了在二尖瓣反流和心肌梗死的羊模型中通過基因傳遞后SERCA2a表達增加，能夠改善心臟功能及重構。在容量超負荷的豬模型中，Kawase等[5]應用腺相關病毒(AAV)1進行SERCA2a的基因傳遞后使SERCA2a表達正常化，結果表明心臟的變力性可以得到改善。心臟疾病經皮給藥鈣上調基因治療(Calcium Up-Regulation by Percutaneous Administration of Gene Therapy in Cardiac Disease，CUPID)試驗使用基因治療人類心力衰竭，第一階段Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗通過冠狀動脈傳遞AAV1-SERCA2a，第一階段的結論通過癥狀表明了心臟功能和心臟重構得到改善[6]。二期試驗(CUPID2)雖未達到其終點[終末事件(全因死亡、心臟移植、左心室輔助裝置植入或動態惡化心力衰竭)的心力衰竭相關住院]；但已報道治療組的6分鐘步行測試得到了改善[7]。作為CUPID項目的伴隨研究，AAV1-巨細胞病毒-SERCA2a基因治療心力衰竭試驗(AAV1-CMV-Serca2a GENe Therapy Trial in Heart Failure，AGENT-HF)以專門確定SERCA2a基因傳遞對心臟重構參數的影響，通過心臟CT測量左室收縮末期的容積作為評估指標，AGENT-HF研究未能顯示AAV1-SERCA2a給藥后的心臟重構參數存在改善趨勢[8]。目前原因考慮為盡管已經證實SERCA2a在動物模型中可持續轉基因表達，但T細胞介導的免疫應答可能會限制人類患者AAV1-SERCA2a的表達[9]。

1.2 S100 Ca2+-結合蛋白 A1

S100 Ca2+-結合蛋白 A1(S100A1)是一種Ca2+敏感蛋白，能增加心肌肌質網 Ca2+-ATP酶活性，減少舒張期肌質網Ca2+漏出，并在肌質網Ca2+循環中起重要作用，故其具有作為心臟疾病基因治療的潛力。S100A1可能還在心肌能量平衡[10]、維持肌原纖維完整性和再生中起作用[11]。心肌梗死大鼠模型中應用S100A1可觀察到心臟功能及重構得以改善，并且改善可長期持續[12-13]。同樣，心肌梗死的豬模型應用S100A1基因傳遞后，左心室收縮、舒張功能可有改善[14]。Brinks等[15]將S100A1基因傳遞至體外人類心力衰竭的心室肌細胞(取自27個嚴重缺血性收縮性心力衰竭患者進行心臟移植原心臟的心室心肌)，結論表明細胞收縮性和肌質網功能可以得到改善。目前正在審查一項實驗，其擬加入凋亡抑制相關酶募集結構域(apoptosis repressor with caspase recruitment domain，ARC)的基因以治療心力衰竭，計劃在杜賓犬的擴張型心肌病模型上使用AAV6-S100A1-ARC，以控制充血性心力衰竭[16]。

2 β腎上腺素能信號傳遞系統相關基因治療

心力衰竭患者交感神經系統的激活與發病率和死亡率增加相關。有研究已經證實通過β腎上腺素受體的靶向基因治療來改變鈣循環或其調節激酶[17]。G蛋白偶聯受體激酶2活性升高導致同源脫敏，從而降低激活的β受體與其G蛋白之間的相互作用，導致心力衰竭惡化[18]。G蛋白偶聯受體激酶2的肽抑制劑(βARKct)在體外遞送至人心力衰竭心肌細胞后，其收縮功能可改善[19]。βARKct基因傳遞至豬心肌梗死模型，可觀察到心臟收縮功能及心室重構得到改善[19]。在綿羊心肌梗死模型中，βARKct基因傳遞的心肌圓周分數縮短、心指數正常化[20]。

3 腺苷酸環化酶6相關基因治療

腺苷酸環化酶是G蛋白信號級聯的一部分，其將ATP轉化成環磷酸腺苷和焦磷酸以響應β腎上腺素能受體的刺激傳導[21]。盡管有研究顯示長期β腎上腺素能受體刺激的增加會加重心力衰竭，但腺苷酸環化酶6(AC6)的作用似乎是有利的[22]。實驗顯示，AC6異構體的過表達可改善小鼠中的SERCA2a功能和心臟收縮功能[18]。在豬的心力衰竭模型(起搏器術后調節快速心率完成左室射血分數減低的模型)中，冠狀動脈內應用腺病毒傳遞AC6基因，結果提示左心室功能及重構均得到改善[23]。最近有使用腺病毒基因傳遞AC6應用于人類心力衰竭(射血分數<40%)臨床試驗Ⅱ期的研究，AC6基因轉移組因心力衰竭入院的人數減少，治療組和安慰組之間的嚴重不良事件沒有差異，試驗繼續在12個月的隨訪中[24]。此外，研究表明射血分數的改善有劑量依賴性，與缺血組相比，非缺血性心力衰竭組獲益更大[24]。

4 血管內皮生長因子B

血管內皮生長因子具有強烈的促血管內皮細胞增殖和促進新生血管生長的功能，在心肌組織缺血后修復過程中起重要調節作用。人心臟病中心肌血管內皮生長因子B(VEGF-B)的表達水平下降[25]。有研究者將pcDNA3.1/hVEGF-B質粒DNA直接注射至Wistar大鼠心肌梗死模型的心肌中，結果顯示實驗組心臟左室射血分數、收縮期室壁增厚率、左心室舒張末期壓力及收縮末期壓力均有改善[26]。Huusko等[27]利用AAV9將 VEGF-B基因傳遞至 C57BL小鼠主動脈縮窄術后心力衰竭模型，左室射血分數及心室重構均得到明顯改善。有研究發現心臟特異性轉基因小鼠過表達VEGF-B167異構體會導致心力衰竭[28]。AAV介導VEGF-B167基因傳遞給心肌梗死大鼠心力衰竭模型，可保存其心肌收縮力并且阻止心肌細胞凋亡[29]。

盡管最初對大型動物心臟進行基因傳遞存在重重困難，但如今臨床前的大型動物模型基因治療研究已經顯示出鼓舞人心的結果。許多不同的分子靶點需要考慮，細胞凋亡基因如P53基因、半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3基因、α-肌球蛋白肌原化等的基因治療近10年已鮮少報道，未來心力衰竭基因治療的研究將著重于發展安全性、可行性、靶向性的基因轉載體系，使目的基因能夠在靶細胞內高效表達。最終，各種心臟疾病所致心力衰竭的最適候選基因可能會有所不同。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Johnson FL.Pathophysiology and etiology of heart failure[J].Cardiol Clin,2014,32(1):9-19.

[2] Kehat I,Molkentin JD.Molecular pathways underlying cardiac remodeling during pathophysiological stimulation[J].Circulation,2010,122(25):2727-2735.

[3] Hasenfuss G,Meyer M,Schillinger W,et al.Calcium handling proteins in the failing human heart[J].Basic Res Cardiol,1997,92(Suppl 1):87-93.

[4] Beeri R,Chaput M,Guerrero JL,et al.Gene delivery of sarcoplasmic reticulum calcium ATPase inhibits ventricular remodeling in ischemic mitral regurgitation[J].Circ Heart Fail,2010,3(5):627-634.

[5] Kawase Y,Ly HQ,Prunier F,et al.Reversal of cardiac dysfunction after long-term expression of SERCA2a by gene transfer in a pre-clinical model of heart failure[J].J Am Coll Cardiol,2008,51(11):1112-1119.

[6] Jaski BE,Jessup ML,Mancini DM,et al.Calcium upregulation by percutaneous administration of gene therapy in cardiac disease(CUPID Trial),a first-in-human phase 1/2 clinical trial[J].J Card Fail,2009,15(3):171-181.

[7] Greenberg B,Butler J,Felker GM,et al.Calcium upregulation by percutaneous administration of gene therapy in patients with cardiac disease(CUPID 2):a randomised,multinational,double-blind,placebo-controlled,phase 2b trial[J].Lancet,2016,387(10024):1178-1186.

[8] Hulot JS,Salem JE,Redheuil A,et al.Effect of intracoronary administration of AAV1/SERCA2a on ventricular remodelling in patients with advanced systolic heart failure:results from the AGENT-HF randomized phase 2 trial[J].Eur J Heart Fail,2017,19(11):1534-1541.

[9] Ertl H,High KA.Impact of AAV Capsid-Specific T-Cell Responses on Design and Outcome of Clinical Gene Transfer Trials with Recombinant Adeno-Associated Viral Vectors:An Evolving Controversy[J].Hum Gene Ther,2017,28(4):328-337.

[10] Rohde D,Busch M,Volkert A,et al.Cardiomyocytes,endothelial cells and cardiac fibroblasts:S100A1’s triple action in cardiovascular pathophysiology[J].Future Cardiol,2015,11(3):309-321.

[11] Fargnoli AS,Katz MG,Williams RD,et al.Liquid jet delivery method featuring S100A1 gene therapy in the rodent model following acute myocardial infarction[J].Gene Ther,2016,23(2):151-157.

[12] Pleger ST,Most P,Boucher M,et al.Stable myocardial-specific AAV6-S100A1 gene therapy results in chronic functional heart failure rescue[J].Circulation,2007,115(19):2506-2515.

[13] Guo Y,Cui L,Jiang S,et al.S100A1 transgenic treatment of acute heart failure causes proteomic changes in rats[J].Mol Med Rep,2016,14(2):1538-1552.

[14] Pleger ST,Shan C,Ksienzyk J,et al.Cardiac AAV9-S100A1 gene therapy rescues post-ischemic heart failure in a preclinical large animal model[J].Sci Transl Med,2011,3(92):64r-92r.

[15] Brinks H,Rohde D,Voelkers M,et al.S100A1 genetically targeted therapy reverses dysfunction of human failing cardiomyocytes[J].J Am Coll Cardiol,2011,58(9):966-973.

[16] Sleeper M,Bish LT,Haskins M,et al.Status of therapeutic gene transfer to treat cardiovascular disease in dogs and cats[J].J Vet Cardiol,2011,13(2):131-140.

[17] Raake PW,Schlegel P,Ksienzyk J,et al.AAV6.betaARKct cardiac gene therapy ameliorates cardiac function and normalizes the catecholaminergic axis in a clinically relevant large animal heart failure model[J].Eur Heart J,2013,34(19):1437-1447.

[18] Rincon MY,Vandendriessche T,Chuah MK.Gene therapy for cardiovascular disease:advances in vector development,targeting,and delivery for clinical translation[J].Cardiovasc Res,2015,108(1):4-20.

[19] Williams ML,Hata JA,Schroder J,et al.Targeted beta-adrenergic receptor kinase(betaARK1)inhibition by gene transfer in failing human hearts[J].Circulation,2004,109(13):1590-1593.

[20] Katz MG,Fargnoli AS,Swain JD,et al.AAV6-βARKct gene delivery mediated by molecular cardiac surgery with recirculating delivery(MCARD)in sheep results in robust gene expression and increased adrenergic reserve[J].J Thorac Cardiovasc Surg,2012,143(3):720-726.

[21] Brodde OE,Bruck H,Leineweber K.Cardiac adrenoceptors:physiological and pathophysiological relevance[J].J Pharmacol Sci,2006,100(5):323-337.

[22] Njeim MT,Hajjar RJ.Gene therapy for heart failure[J].Arch Cardiovasc Dis,2010,103(8-9):477-485.

[23] Lai NC,Roth DM,Gao MH,et al.Intracoronary adenovirus encoding adenylyl cyclase VI increases left ventricular function in heart failure[J].Circulation,2004,110(3):330-336.

[24] Hammond HK,Penny WF,Traverse JH,et al.Intracoronary gene transfer of adenylyl cyclase 6 in patients with heart failure:a randomized clinical trial[J].JAMA Cardiol,2016,1(2):163-171.

[25] Kivela R,Bry M,Robciuc MR,et al.VEGF-B-induced vascular growth leads to metabolic reprogramming and ischemia resistance in the heart[J].EMBO Mol Med,2014,6(3):307-321.

[26] 張勇,王勝,張素閣,等.心肌注射人血管內皮生長因子-B基因對大鼠心肌缺血的治療作用[J].中華實用診斷與治療雜志,2012,(12):1195-1197.

[27] Huusko J,Lottonen L,Merentie M,et al.AAV9-mediated VEGF-B gene transfer improves systolic function in progressive left ventricular hypertrophy[J].Mol Ther,2012,20(12):2212-2221.

[28] Lottonen-Raikaslehto L,Rissanen R,Gurzeler E,et al.Left ventricular remodeling leads to heart failure in mice with cardiac-specific overexpression of VEGF-B167:echocardiography and magnetic resonance imaging study[J].Physiol Rep,2017,5(6):1-12

[29] Zentilin L,Puligadda U,Lionetti V,et al.Cardiomyocyte VEGFR-1 activation by VEGF-B induces compensatory hypertrophy and preserves cardiac function after myocardial infarction[J].FASEB J,2010,24(5):1467-1478.