胱氨酸尿癥的發(fā)病機(jī)制和基因治療前景

王政昊，白云金，曹德宏，唐 寅，王 佳，魏武然

(四川大學(xué)華西醫(yī)院泌尿外科，泌尿外科研究所，四川 成都 610041)

胱氨酸尿癥是以一種尿胱氨酸重吸收障礙為特點(diǎn)的常染色體隱性遺傳病[1]。以尿中高濃度胱氨酸為特點(diǎn)，其主要特征是尿液中排泄過(guò)量的L-胱氨酸和同時(shí)臨床可出現(xiàn)復(fù)發(fā)性胱氨酸結(jié)石，70%的結(jié)石復(fù)發(fā)患者最終發(fā)展為慢性腎病，9%甚至發(fā)展為終末期腎病[2]。現(xiàn)有結(jié)石防治措施僅能減少或延緩復(fù)發(fā)，不能達(dá)到根治效果。因此臨床急需尋求新的治療途徑。基因治療主要是通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)改變?nèi)毕莼蚧蛘{(diào)節(jié)其功能從而達(dá)到治療目的。目前在臨床疾病治療方面也已取得了突破性進(jìn)展，特別是基因異常所致疾病，可起到延緩或治愈疾病的作用[3，4]。利用針對(duì)乙醇酸氧化酶的AAV8-CRISPR/Cas9載體用于高草酸尿癥小鼠，可以減少草酸的產(chǎn)生，緩解腎臟的損傷，顯著減少腎臟草酸鈣結(jié)晶產(chǎn)生，而且沒(méi)有副作用[5]。這些突破，為胱氨酸尿癥基因治療提供了可能。如能將治療基因選擇性地導(dǎo)入近端腎小管，糾正或彌補(bǔ)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能，可達(dá)到治療效果的同時(shí)大幅度減少治療的不良反應(yīng)。本文針對(duì)胱氨酸尿癥的遺傳基礎(chǔ)和基因治療前景做一綜述。

1 胱氨酸尿癥的遺傳學(xué)基礎(chǔ)

尿中胱氨酸主要是通過(guò)腎小管刷狀緣的異二聚亞氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體被重吸收。該轉(zhuǎn)運(yùn)體由兩個(gè)蛋白亞單位rBAT 和 b0，+AT組成[6]。rBAT 由位于 2 號(hào)染色體的 SLC3A1[7]編碼 (OMIM 104614)，而 b0，+AT 由 19 號(hào)染色體的 SLC7A9[8]編碼 (OMIM 604144)。若基因突變可導(dǎo)致85%的胱氨酸尿癥發(fā)生。但仍有15%的患者可能存在其他致病基因。腎小管rBAT表達(dá)具有區(qū)域性，主要在近端腎小管S3段，b0，+AT表達(dá)卻與之相反，主要表達(dá)在S1段。由此可見(jiàn)rBAT和b0，+AT在腎小管內(nèi)大部分并不協(xié)同作用，具有空間表達(dá)差異。另外，b0，+AT屬于低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體，單獨(dú)存在基本喪失生理功能，只有與rBAT協(xié)同表達(dá)才具有完整的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體功能。推測(cè)近端腎小管S3段可能存在其他rBAT協(xié)作蛋白。近期研究發(fā)現(xiàn)膜蛋白AGT1/Slc7a13可能是rBAT第二轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要位于S3段腎小管細(xì)胞頂膜，與rBAT構(gòu)成異二聚體，功能試驗(yàn)證實(shí)AGT1可轉(zhuǎn)運(yùn)胱氨酸、天冬氨酸和谷胱甘肽[9]。雖然臨床研究發(fā)現(xiàn)Slc7a13在胱氨酸尿癥患者中突變率高，但不是胱氨酸尿癥的致病基因[10]。因此，對(duì)于Slc3a1和Slc7a9基因表達(dá)正常的患者仍需進(jìn)一步研究明確其致病基因。

2 腎臟基因治療現(xiàn)狀

腎臟解剖位置較深，組織細(xì)胞多樣性以及解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致腎臟基因治療相對(duì)滯后[11]。在腎臟疾病的基因治療中，轉(zhuǎn)染途徑和載體的選擇將是影響治療效果的關(guān)鍵步驟。將攜帶目的基因的載體注入血液系統(tǒng)后，幾乎全被肝臟和脾臟獲取，很少能夠到達(dá)腎臟[12]。另外腎臟本身解剖結(jié)構(gòu)限制目前常用載體的應(yīng)用。多數(shù)病毒載體直徑在20～200 nM，大于腎小球傳入小動(dòng)脈直徑10 nM，而且許多載體分子質(zhì)量大于腎小球?yàn)V過(guò)蛋白分子質(zhì)量閾值50 kDa，均阻礙了載體傳遞[13]。腺病毒基因轉(zhuǎn)導(dǎo)效率較高是目前臨床基因治療常用載體[14]。全身使用時(shí)，基因基本在肝臟表達(dá)，腎臟表達(dá)很低，即使使用較高病毒量，亦不能達(dá)到有效表達(dá)量。由于病毒存在免疫原性，縮短了基因的表達(dá)時(shí)間。為了克服這些問(wèn)題，目前采取兩種措施：其一，修飾改裝現(xiàn)有的病毒或非病毒載體；其二，直接靶向或局部使用載體，這種方式對(duì)于腎臟需侵襲性操作。因此目前靶向基因表達(dá)只限用與表淺組織或器官，比如眼睛或者呼吸系統(tǒng)。逆轉(zhuǎn)錄病毒可隨機(jī)整合到宿主細(xì)胞且可以長(zhǎng)效穩(wěn)定表達(dá)，但并不不能轉(zhuǎn)染非分裂細(xì)胞，然而腎小管細(xì)胞有絲分裂指數(shù)極低，因而逆轉(zhuǎn)錄病毒用于腎小管細(xì)胞轉(zhuǎn)染是不可行的。

2.1 腎臟基因治療載體傳遞途徑現(xiàn)有腎臟局部導(dǎo)入或傳遞載體的方法包括：經(jīng)輸尿管腎盂注射[15]、腎靜脈注射[16]、腎實(shí)質(zhì)注射[17]和腎動(dòng)脈注射[18]。目前還沒(méi)有足夠的證據(jù)證明何種途徑能使腎臟長(zhǎng)期有效表達(dá)外源基因。研究發(fā)現(xiàn)僅腎動(dòng)脈傳遞相對(duì)具有較好的效果，能使腎小管和潤(rùn)細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)基因成功，但該技術(shù)具有操作難度。連續(xù)腎動(dòng)脈泵入腺病毒，腎組織感染效果不理想，主要原因在于血液中存在免疫細(xì)胞，會(huì)限制病毒感染腎臟細(xì)胞[19]。通過(guò)腎靜脈注入載體，能夠少量表達(dá)在腎小球和近端腎小管，腎盂給藥主要是轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入集合管[16]，腎實(shí)質(zhì)注射雖操作簡(jiǎn)單，但僅在注射點(diǎn)周?chē)兴磉_(dá)。而經(jīng)過(guò)膀胱逆行注入腺病毒雖可以避免病毒載體進(jìn)入血液循環(huán)，但效果不佳，而且可能導(dǎo)致腎小管損傷。

近期學(xué)者報(bào)道了一種類似于腎盂順行造影的方法，即經(jīng)過(guò)腎實(shí)質(zhì)腎盂注射攜帶特定基因的AAV-9可以使腎小管表達(dá)[20]。手術(shù)后三月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)報(bào)告基因在腎皮質(zhì)和髓質(zhì)仍有表達(dá)，而腎小球無(wú)表達(dá)。分析發(fā)現(xiàn)基因有效轉(zhuǎn)導(dǎo)主要集中在表達(dá)AQP2的集合管，也可稀疏表達(dá)在近端腎小管。該手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：所導(dǎo)致的出血和溶液外泄等并發(fā)癥可接受，對(duì)輸尿管無(wú)明顯損傷，不會(huì)導(dǎo)致輸尿管梗阻，與逆行轉(zhuǎn)導(dǎo)外源基因效果相當(dāng)。

2.2 載體修飾——攜帶特異性啟動(dòng)子為了減少不良反應(yīng)發(fā)生，轉(zhuǎn)染須是特異性的，要避免轉(zhuǎn)染到其他非靶細(xì)胞和器官。腎臟是由很多不同種類細(xì)胞組成，基因治療應(yīng)該具有器官和細(xì)胞特異性。既往研究直接通過(guò)手術(shù)方式進(jìn)行載體傳遞并未促進(jìn)病毒感染特定細(xì)胞，因?yàn)槟I臟由多種細(xì)胞類型組成。為了克服這一問(wèn)題，通過(guò)修飾載體，使載體攜帶具有靶向性啟動(dòng)子，從而有望實(shí)現(xiàn)靶向轉(zhuǎn)導(dǎo)。學(xué)者根據(jù)不同腎小管部位設(shè)計(jì)不同細(xì)胞特異性啟動(dòng)子，啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的定點(diǎn)表達(dá)特異蛋白可以特異性的表達(dá)在腎小管，而其他腎組織并無(wú)表達(dá)[19]，但插入腎臟特異性啟動(dòng)子并不能增加轉(zhuǎn)導(dǎo)成功率[21]。值得一提的是，通過(guò)尾靜脈向使用環(huán)磷酰胺的小鼠體內(nèi)注入睡美人轉(zhuǎn)座子可以明顯的減弱轉(zhuǎn)基因蛋白表達(dá)衰弱速度[21]。

2.3 超聲微泡作為載體超聲微泡是一種具有生物可降解性外殼包裹的不同氣體形成的球狀物質(zhì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前其穩(wěn)定性不斷增加、微泡直徑不斷降低、生物相容性也越來(lái)越好。隨著研究的深入，超聲微泡技術(shù)不僅用于臨床診斷，而且可以作為藥物遞送和基因治療的載體。與病毒相比，超聲微泡具備低免疫原性、可重復(fù)性和靶向性，并且可以保護(hù)基因不被核酸酶降解和機(jī)體清除。近年超聲靶向微泡破壞技術(shù)介導(dǎo)的基因遞送在糖尿病治療中已經(jīng)取得很大進(jìn)步，并有望用于臨床。

超聲微泡目前仍需解決的問(wèn)題是尋找保證超聲微泡載體質(zhì)量和提高轉(zhuǎn)染效率的策略。超聲微泡可以形成局部沖擊波，導(dǎo)致細(xì)胞膜瞬間形成小孔，從而提高腎臟細(xì)胞穿透性，毛細(xì)血管通透性也增加[22]，且具有可恢復(fù)性。超聲靶向微泡破壞技術(shù)介導(dǎo)的以超聲微泡為載體的基因轉(zhuǎn)染效率為40%左右。超聲破壞載SDF-1微泡靶向釋放SDF-1可提高腎臟SDF-1表達(dá)水平，促進(jìn)移植的外源性間充質(zhì)干細(xì)胞腎向歸巢能力，歸巢主要集中在腎小管周，有效延緩糖尿病腎病的進(jìn)展[23]。超聲靶向微泡破壞技術(shù)聯(lián)合脂質(zhì)體-輔酶Q10也可以改善糖尿病大鼠腎功能[24]。

3 胱氨酸尿癥基因治療困境

隨著近些年胱氨酸尿癥分子遺傳機(jī)制研究的深入，基因治療已成為可能。目前已經(jīng)出現(xiàn)多種胱氨酸尿癥小鼠模型，這為后期研究胱氨酸尿癥的基因治療提供模型。雖然基因治療是胱氨酸尿癥較為理想的選擇，但仍要面臨眾多困難。由于腎臟結(jié)構(gòu)的特異性，足細(xì)胞和腎小管細(xì)胞與血管之間存在基底膜，造成基因靶向?qū)氲某晒β蚀蟠鬁p低。目前關(guān)于胱氨酸尿癥基因治療尚無(wú)報(bào)道。今后還需要尋求具有近端腎小管特異性的載體，同時(shí)保證高效的轉(zhuǎn)染率，能夠達(dá)到靶蛋白長(zhǎng)效表達(dá)；另外，還要保證安全性，需要研制發(fā)現(xiàn)出無(wú)副作用、安全有效的載體。

綜上所述，隨著對(duì)胱氨酸尿癥認(rèn)識(shí)的增加和分子生物學(xué)快速發(fā)展，胱氨酸尿癥基因治療成為可能，雖然胱氨酸尿癥基因治療還無(wú)相關(guān)報(bào)道，相信基因治療將會(huì)在胱氨酸尿癥疾病的治療中起到舉足輕重的作用。