达纳-法伯/波士顿儿童癌症和血液疾病中心的研究人员今天在《临床研究杂志》上发表报告说，一种精确工程基因治疗病毒被植入血液干细胞，然后进行移植，可显著降低镰状细胞病小鼠镰状细胞引起的红细胞损伤。
这项工作为将数十年来关于镰状细胞病的发现带到临床奠定了基础。一项临床基因治疗试验，使用一种在实验室中无害的病毒，预计将于明年启动。
镰状细胞病是由血红蛋白的突变引起的，血红蛋白是红细胞中携带氧气的蛋白质，它使通常柔韧的细胞变硬，呈弯曲或“镰刀”状。这些镰状细胞比血红蛋白健康的细胞存活时间短，导致贫血。它们还会结合在一起，导致血流阻塞，从而导致全身严重疼痛和器官损伤。
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镰状细胞病的致命弱点?
这种新的基因疗法是上世纪80年代的研究成果的顶峰，当时的研究发现，镰状细胞病在血红细胞携带胎儿血红蛋白的人身上更为温和。正常情况下，胎儿血红蛋白在出生后会逐渐减少，但2008年，达纳-法伯/波士顿儿童研究人员斯图尔特·奥金和维贾伊·桑卡兰发现，抑制一种名为BCL11A的基因——这种基因起着“关闭”开关的作用——可以重启胎儿血红蛋白的产生。2011年，他们用这种方法纠正了小鼠镰状细胞病，用健康的胎儿血红蛋白替代了导致镰状细胞病的缺陷β(“成人”)血红蛋白。
为了将这一见解转化为一种治疗方法，由达纳-法伯/波士顿儿童研究人员大卫a威廉姆斯(David a . Williams)、克里斯蒂安布伦德尔(Christian Brendel)和施华洛帕古达(Swaroopa Guda)领导的一个团队面临着一个重大问题:他们发现BCL11A在血液干细胞中发挥着重要作用。当镰状细胞突变的小鼠的血液干细胞被沉默时，血液干细胞不能长期移植到动物的骨髓中，最终会耗尽。这种移植失败可能使基因治疗无效，也会导致血液发育方面的严重问题。
为了避免这种情况，研究小组进行了一些复杂的工程，创造了一种基因治疗病毒，可以选择性地使BCL11A沉默——只在红细胞的前体中。用这种基因疗法治疗的血液干细胞，移植到小鼠体内，成功地移植并减少了镰状细胞病的症状(溶血性贫血和网状红细胞增多)。
此外，在小鼠和四名镰状细胞病患者的红细胞中，胎儿血红蛋白排挤了镰状-β血红蛋白，至少占细胞中血红蛋白总量的80%。这超过了研究人员最初设定的50%胎儿血红蛋白的目标——很可能足以避免临床镰状细胞病。
“红细胞呈镰刀状的倾向与非镰刀状血红蛋白与镰刀状血红蛋白的比例成正比，”威廉姆斯解释道，他是这项研究的资深作者，同时也是达纳-法伯/波士顿儿童医院的主席。“BCL11A抑制胎儿血红蛋白，而胎儿血红蛋白不会导致镰状体，它还激活β血红蛋白，β血红蛋白受镰状细胞突变的影响。所以当你把BCL11A敲下来的时候，你同时增加了胎儿血红蛋白和抑制镰状细胞病血红蛋白，这就是为什么我们认为这是镰状细胞病基因治疗的最好方法。”
精密工程
有选择地摧毁BCL11A涉及到几个层次的工程。作为他们基因治疗载体的核心，研究人员使用了一段被称为短发夹RNA (shRNA)的遗传代码片段，它可以使BCL11A基因失活。为了让它进入细胞，他们将shRNA嵌入另一段代码中，这是一种微rna，细胞通常能识别并处理它。为了使这种装配在正确的时间、正确的地点发挥作用，他们将其与β血红蛋白表达启动子以及仅在红细胞前体中活跃的调控元件连接起来。最后，他们将整个病毒包插入一种慢病毒中，这种慢病毒被设计用于人类的安全使用。
然后，将小鼠和镰状细胞患者的血液干细胞暴露在被操纵的病毒中，获得新的遗传物质。基因工程血红细胞前体开始产生胎儿血红蛋白，而不是突变的β血红蛋白。
双重效益
镰状细胞病的其他基因治疗试验正在进行或正在开发中。这些方法并没有干扰BCL11A，而是引入了编码胎儿血红蛋白本身的基因，或者是一种不会镰刀状的经过修正的β血红蛋白。
威廉姆斯认为，基于bcl11的镰状细胞病基因治疗方法将大大提高非镰状细胞血红蛋白与镰状细胞血红蛋白的比例。他指出，这种方法对地中海贫血也可能是有益的，地中海贫血是另一种血液疾病，与有缺陷的血红蛋白有关。
威廉姆斯还在达纳-法伯/波士顿儿童医院(Dana-Farber/Boston Children’s)开展了其他多项基因治疗试验，该医院已成为世界领先的儿童遗传疾病基因治疗中心。目前，他的团队正朝着FDA批准镰状细胞病临床基因治疗试验迈出最后一步，该临床基因治疗试验预计将于2017年初开始。
布伦德尔和古达是论文的共同第一作者。这项工作得到了波士顿儿童医院临床和转化研究项目、美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、桃瑞丝·杜克慈善基金会(Doris Duke Charitable Foundation)以及蓝鸟生物公司(Bluebird Bio)赞助的研究支持。