光遺傳學(xué)改造蛋白幫助盲人重見光明

編譯 米斛

巴黎的某處白色房間內(nèi)擺著一張白色的桌子，旁邊坐著一位男性，頭戴VR設(shè)備一樣的耳麥。他伸出右手，把手指放在一本黑色筆記本上。他自信地做出這一簡(jiǎn)單卻意義非凡的動(dòng)作，而在此之前他已失明40年有余了。

當(dāng)前這一臨床試驗(yàn)的特別之處在于科學(xué)家將基因注射入他的一只眼睛內(nèi)，誘導(dǎo)視網(wǎng)膜上的神經(jīng)元產(chǎn)生一種感光蛋白，而這種感光蛋白通常存在于黏糊糊的綠藻體內(nèi)?？茖W(xué)家讓他佩戴上特制的護(hù)目鏡，并在護(hù)目鏡上映射出他周圍環(huán)境的視頻圖像。這些視頻圖像作為光刺激投影在他位于視網(wǎng)膜上的經(jīng)治療后對(duì)光敏感的神經(jīng)元上，成功激發(fā)了這些神經(jīng)元，而從神經(jīng)元傳出的信號(hào)通過視神經(jīng)抵達(dá)大腦的視覺處理中心。他曾因一種遺傳疾病“視網(wǎng)膜色素沉著”失去了光感受器很久，而目前在他的眼內(nèi)，經(jīng)基因編輯的神經(jīng)元已經(jīng)替代了原有的光感受器。

此人已經(jīng)能夠辨識(shí)實(shí)驗(yàn)室和外部世界中的物體，這一進(jìn)展刊登在《自然-醫(yī)學(xué)》雜志上，盡管他還不能看到顏色和具體細(xì)節(jié)。這是光遺傳學(xué)成功恢復(fù)一位失明患者部分視力的第一個(gè)記錄。

何塞-阿蘭·薩赫勒（José-Alain Sahel）說：“這是一個(gè)重要的里程碑?！彼麃碜苑▏?guó)皮茨堡大學(xué)和索邦大學(xué)，是該實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者，同時(shí)也是一名眼科醫(yī)生。

早在2010年，阿蘭和他的同事們就在瑞士巴塞爾開始了運(yùn)用光遺傳學(xué)治療視網(wǎng)膜色素沉著的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了小鼠實(shí)驗(yàn)。幾年后，他們共同創(chuàng)建了眼科疾病基因療法公司來進(jìn)一步發(fā)展治療方法并進(jìn)行臨床試驗(yàn)。2018年，他們開始在巴黎、倫敦、皮茨堡招募患者進(jìn)行I期臨床試驗(yàn)，而前文提到的那位患者則是該試驗(yàn)的第一位參與者。薩赫勒說：“這一成果是我們過往13年間進(jìn)行的大量工作的體現(xiàn)，同時(shí)能夠成為第一個(gè)展示光遺傳學(xué)技術(shù)功效的人也讓我們感到十分興奮?！?/p>

視網(wǎng)膜色素沉著是一類進(jìn)行性、遺傳性疾病的統(tǒng)稱。不同患者所攜帶的各種各樣的基因突變導(dǎo)致視網(wǎng)膜上視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞兩種感光細(xì)胞死亡，使患者最終失明。這一疾病影響著全世界超過200萬(wàn)人，而對(duì)于其中大部分人來說這是一種不治之癥。

Luxturna是第一種被食品藥品管理局批準(zhǔn)的用于治療眼病的基因療法。它利用一個(gè)病毒載體向細(xì)胞傳遞功能正常的RPE65基因。但僅有5%的視網(wǎng)膜色素沉著患者攜帶這一基因的突變。這導(dǎo)致大部分患者僅有一個(gè)選擇：創(chuàng)傷性植入一個(gè)微芯片到視網(wǎng)膜上。該裝置將裝在眼鏡上的攝像頭拍攝到的信號(hào)傳遞到芯片上，從而刺激尚連接著大腦的感光細(xì)胞。盡管這一療法在2013年被批準(zhǔn)，這個(gè)被稱作阿古斯II的裝置僅能給予患者非常粗糙的視覺，截至2019年全球僅有350人植入了該裝置。

托德·達(dá)勒姆（Todd Durham）是一個(gè)患者宣傳組織“對(duì)抗失明基金會(huì)”的臨床和成果研究部門的副總管。他說：“當(dāng)前視網(wǎng)膜色素沉著的患者感到希望渺茫。當(dāng)這些人失去了視覺之后他們就會(huì)失去獨(dú)立生活的能力，并給自身身體和心理健康帶來負(fù)面效應(yīng)。這些都對(duì)患者造成了一系列嚴(yán)重的影響?！?/p>

達(dá)勒姆表示，光遺傳學(xué)是一項(xiàng)重要的治療方法。與植入芯片和基因療法不同，光遺傳學(xué)有潛力幫助那些光感受器完全失去功能的患者。這項(xiàng)技術(shù)在2005年被發(fā)明，涉及將DNA導(dǎo)入神經(jīng)元中從而使神經(jīng)元能夠感受特定的光，以及將光投射在神經(jīng)元上來激活它們。在實(shí)驗(yàn)室的小鼠身上，科學(xué)家一般將光纖直接插入小鼠的大腦中來研究嗅覺識(shí)別，聽覺處理以及成癮等事項(xiàng)。

在這一實(shí)驗(yàn)中，研究者將攜帶有光敏感離子通道蛋白ChrimsonR基因的腺病毒相關(guān)載體注射到一位58歲患者的一只眼睛內(nèi)。琥珀色的光投射到這個(gè)蛋白上會(huì)使蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，使得離子流入或流出細(xì)胞。這個(gè)載體靶向視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。正常的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞負(fù)責(zé)收集視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞發(fā)出的信號(hào)并把這些信號(hào)傳遞到大腦的視覺皮層。即使這些患者的視網(wǎng)膜色素沉著病情十分嚴(yán)重，這些神經(jīng)節(jié)細(xì)胞還是存活的，只是被閑置了，因?yàn)闆]有任何信號(hào)進(jìn)入這些細(xì)胞?？茖W(xué)家將ChrimsonR導(dǎo)入這些細(xì)胞，讓它們能夠自己感受光。

薩赫勒和他的同事們之前嘗試了另一個(gè)可以被藍(lán)綠光激活的蛋白。在小鼠體內(nèi)，這個(gè)方案十分成功。但在可見光譜藍(lán)綠端的光能量很高，也因此這個(gè)蛋白在靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型身上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)遇到了問題。

在正常的哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜中，一個(gè)感光蛋白會(huì)通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活其他感光蛋白，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)擴(kuò)增。正常視網(wǎng)膜中，激活一個(gè)蛋白能夠打開超過一百萬(wàn)個(gè)離子通道。而在光遺傳學(xué)的理論中，一個(gè)蛋白只相當(dāng)于一個(gè)離子通道，所以科學(xué)家需要通過其他方法擴(kuò)增信號(hào)，例如提高進(jìn)光量。這也就是為什么科學(xué)家給受試者戴上了護(hù)目鏡。但正如同我們不能直接盯著太陽(yáng)看，太多的藍(lán)綠光會(huì)對(duì)殘余的細(xì)胞造成損害?？茖W(xué)家轉(zhuǎn)而使用琥珀色光激活ChrimsonR蛋白，從而成功地在有效性和安全性之間達(dá)到了理想的平衡。

“盡管這是前進(jìn)的一小步，但正因?yàn)樗C明了這個(gè)蛋白在人眼中能夠工作，我們確實(shí)邁出了這一步?！北Ａ_·伯恩斯坦（Paul Bernstein）說。他是一位眼科醫(yī)生，同時(shí)也是猶他州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的視網(wǎng)膜專家，而他并未參與這項(xiàng)研究。

按計(jì)劃，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)會(huì)逐漸提高劑量，而此次報(bào)道中的患者接受的是最低的劑量。這位患者最早在2020年2月就與另外兩位患者一起被報(bào)道第一次恢復(fù)了部分視力，當(dāng)時(shí)正好是在新冠病毒導(dǎo)致世界運(yùn)轉(zhuǎn)停擺之前。另一位接受基因療法治療的患者未能成功隨訪，也沒有進(jìn)一步接受使用護(hù)目鏡的訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)室檢查。另外三位患者接受了中等劑量的基因療法，而還有三位患者準(zhǔn)備稍后接受更高劑量的治療。

除了筆記本，第一位患者能夠定位其他物體并進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如杯子和一小瓶亮綠色的液體。物體越大，對(duì)比度越高，患者持續(xù)辨識(shí)它的能力越強(qiáng)。據(jù)報(bào)道，這位患者能夠在街上看見斑馬線，甚至數(shù)出白線的數(shù)量。在實(shí)驗(yàn)室檢查過程中，研究者使用腦電圖來記錄該患者整個(gè)視覺皮層神經(jīng)元的活動(dòng)，并確認(rèn)了ChrimsonR蛋白的激活將刺激傳遞到他的大腦中。

這幾位患者身上的變化都不是短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的?；颊咴诒蛔⑸渌幬锖笮枰?到6個(gè)月來使蛋白表達(dá)提高到充足的水平，隨后還需要幾個(gè)月接受使用護(hù)目鏡的訓(xùn)練，然后患者才能將光線直接對(duì)準(zhǔn)視網(wǎng)膜上表達(dá)這種蛋白的細(xì)胞。如果需要定位物體，患者需要運(yùn)動(dòng)整個(gè)頭部來前后掃描整片區(qū)域?；颊吣軌蚩吹揭粋€(gè)由黑白顆粒構(gòu)成的世界。而如需閱讀或者認(rèn)臉，則需要更高的分辨率，但當(dāng)前光遺傳學(xué)暫時(shí)無法達(dá)到這一水平。

在過去的幾十年間，伯恩斯坦醫(yī)生只能告訴他的視網(wǎng)膜色素沉著患者們，當(dāng)前對(duì)于這種疾病并沒有好的治療手段。而光遺傳學(xué)在治療視網(wǎng)膜色素沉著上取得的進(jìn)步對(duì)于他來說是一個(gè)讓人期待的發(fā)展。伯恩斯坦醫(yī)生說：“這些正在發(fā)生的事情在我26年前剛開始行醫(yī)時(shí)看來像是科幻小說一般?！彼Ｍ吹礁嗥渌麉⑴c該試驗(yàn)的患者的數(shù)據(jù)。但至少報(bào)道中的這個(gè)患者其視力的改善傳遞出令人鼓舞的信號(hào)，讓人感到患有視網(wǎng)膜色素沉著的人們或許能夠有一天看到此前很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)看不到的世界。

伯恩斯坦說：“以前我們認(rèn)為視網(wǎng)膜色素沉著患者的視力很難恢復(fù)，但這類高科技的手段讓我們大大接近了這一目標(biāo)。這實(shí)在是太夢(mèng)幻了！”

除了眼科疾病基因療法公司的研究，現(xiàn)在還有兩個(gè)其他的臨床試驗(yàn)正在測(cè)試光遺傳學(xué)治療進(jìn)展性視網(wǎng)膜疾病的效果。第一個(gè)開始于2015年，其理論基于此前韋恩州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院潘卓華所做的未被重視的研究。這項(xiàng)研究目前由從屬于艾伯維公司的艾爾建公司贊助。據(jù)報(bào)道，目前該研究已經(jīng)成功進(jìn)行了第一批患者的安全劑量測(cè)試，但尚未報(bào)道該療法對(duì)患者視力的影響。最近，仿生視覺公司基于康奈爾大學(xué)威爾醫(yī)學(xué)院希拉·尼倫伯格（Sheila Nirenberg）的實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的療法已經(jīng)開始招募患者參與研究。該療法同眼科疾病基因療法公司一樣，結(jié)合了基因療法和一系列仿生護(hù)目鏡。

資料來源 STAT