AAV基因治疗在CNS疾病领域的临床现状和挑战

2023-09-07

近日,AAV基因疗法公司Taysha Gene Therapies(Taysha)宣布完成1.5亿美元融资,绝地逢生,股价涨幅超200%。Taysha是一家专注于开发和商业化基于AAV的基因治疗产品的临床阶段基因治疗公司,以消除单基因中枢神经系统(Central nervous systemCNS)疾病为己任。该公司有多条基因治疗研发管线,其中,用于治疗瑞特综合征的自我互补鞘内给药AAV9基因替代疗法TSHA-102在Ⅰ/Ⅱ期临床试验中获得了令人满意的结果。据悉,FDA已对其授予快速通道资格。

 

 

Taysha基因治疗研发管线(图片来源:Taysha官网)

 

神经系统疾病是全球致残的主要原因和第二大死亡原因,多种疾病是由于遗传基因突变导致神经和神经元功能异常引起。由于血脑屏障(Blood-brain barrier,BBB)的存在限制了传统药物治疗的有效性,使CNS疾病的新药研发尤为困难。基因疗法“一次治疗,终生有效”的优势为CNS疾病患者带来治愈的希望。随着AAV基因治疗药物Zolgensma(用于治疗脊髓性肌萎缩症SMA)和Upstaza(用于治疗芳香族L-氨基酸脱羧酶缺乏症)的接连上市,更加提高了人们的期望。


然而,事物的发展并非一帆风顺。AAV基因疗法的临床疗效仍会受到免疫原性、致病性等因素的限制。本期为大家带来发表在Journal of Controlled Release上的综述——AAV vectors applied to the treatment of CNS disorders: Clinical status and challenges。文中概述了AAV基因治疗在14种CNS疾病中的临床研究进展、存在的瓶颈和解决方案。从病毒载体技术、给药途径、免疫抑制和其他相关临床因素几个方面,阐述了提高AAV基因疗法在CNS疾病中安全性和有效性的策略,以期能有助于临床前研究的高效转化和临床试验的广泛运用。

 

 

图形摘要(图片来源:Kang L et al., J Control Release, 2023)

 

1.病毒载体的开发

1.1 AAV衣壳蛋白开发

rAAV衣壳能够有效地穿过BBB,并可在神经系统中提供安全、长期的表达,已成为CNS基因治疗的首选载体。迄今为止,临床研究中使用较多的血清型主要有AAV1、AAV2、AAV5、AAV8、AAV9和AAVrh10。然而,由于递送效率低等原因,AAV在全脑表达的效果不佳,开发高感染效率的新型AAV载体仍是值得关注的问题。新衣壳蛋白的开发策略不断演变,目前主要为:天然发现、合理设计和定向进化。


天然发现是指从天然来源wtAAV中分离出来的血清型。已上市的四种AAV基因治疗产品均是基于天然发现——AAV1(Glybera)、AAV2(Luxturna)、AAV9(Zolgensma)、AAV2(Upstaza)。由于大多数人预先存在针对某些AAV血清型的结合抗体,因此从非人灵长类动物中分离出的衣壳显示出巨大的前景。


合理设计是指将有益的衣壳序列添加到某些AAV血清型的已知受体结合域,从而增加衣壳的组织嗜性,提高转导效率,并降低免疫应答。合理设计的难点主要在于对AAV与细胞表面受体结合、内化、运输、脱壳以及进行基因表达的生理过程还不够了解。


定向进化是指在衣壳蛋白中引入大量随机突变。构建衣壳突变体库的方法有三种:随机插入寡核苷酸序列、DNA改组和易错配PCR。定向进化利用遗传多样性来改善生物分子的功能,已经成功发现了CNS定向衣壳,如AAVrh10。


总之,目前临床研究中最安全、最广泛使用的仍是基于天然发现的衣壳蛋白。基于定向进化的衣壳蛋白可以满足多样化的临床需求,在将来的临床试验中具有广阔的应用前景。

 

 

1 AAV衣壳蛋白开发策略。A. 天然发现,B. 合理设计,C. 定向进化。

(图片来源:Kang L et al., J Control Release, 2023)

 

1.2 标准化载体生产

标准化载体生产是保证rAAV质量和数量以满足大量临床试验需求的重要环节。三质粒瞬时转染HEK293细胞系平台使用最为广泛。但该方法存在可放大性方面的问题。为提高生产效率和稳定性,已经开发了各种rAAV生产平台。如杆状病毒表达载体系统(Bac/Sf9)和辅助病毒(如腺病毒,HSV)/哺乳动物细胞(如HeLa细胞)系统。


纯化过程的目的是去除可能引起免疫反应和影响临床疗效的杂质。在临床实践中,最常用的纯化程序是将传统方法(氯化铯/碘克沙醇密度梯度离心,亲和层析)和新技术(疏水层析HIC、阳离子层析,切向流过滤TFF)结合起来,以实现稳定的生产。rAAV的安全性在很大程度上依赖于产品的表征和生产工艺的监测,但对于最优AAV载体质量的关键工艺步骤仍缺乏行业共识。目前业内已开发出灵敏、特异及准确的检测含量、效价以及纯度等指标的方法。


 

2 rAAV载体生产工艺。A. rAAV生产平台,B. rAAV载体纯化,C. rAAV载体QA。

(图片来源:Kang L et al., J Control Release, 2023)

 

2.给药途径

脑实质给药利用立体定向手术系统将高浓度的载体跨越BBB送达到目标区域,是最受欢迎的CNS给药途径,其优点是可直接靶向目标脑区,已成功应用于纹状体、丘脑、尾状核、白质、黑质等脑区,给药剂量范围为109-4.7×1012vg。缺点是给药范围有限且是一种侵入性的过程,可能引起额外的病理变化。临床上已经开发出许多其它策略来改善病毒的分布,如对流增强给药(Convection-enhanced delivery,CED)、与肝素或甘露醇同时给药、与磁共振成像造影剂同时给药等。


脑脊液内给药的优点是可将治疗基因在大脑或脊髓中表达更广泛。缺点是由于范围更广,会引起更严重的免疫反应。给药方式有三种途径:鞘内、脑室内和枕大池内给药。鞘内给药是最不侵入性的脑脊液内给药方法,通过腰椎穿刺将AAV送至脊髓。脑室内给药是指穿过脑实质的室腔,将AAV送至大脑,目前仅在黏多糖症Ⅲ型(MPS Ⅲ)的临床研究中使用。枕大池内给药可以使AAV广泛分布在小脑、脑干和脊髓中。与腰椎穿刺途径相比,枕大池内给药效率提高了100倍,但缺点是可能会导致针头插入髓质,造成脑干损伤。脑脊液内给药剂量范围为1012-4.2×1014vg。


静脉给药是最不具侵入性的给药方法。临床试验中使用的血清型主要是AAV9和AAVrh10,它们具有跨越BBB的能力。静脉给药剂量高达1015vg。由于静脉给药的主要靶点是肝脏,在全身暴露后可能出现免疫反应和肝毒性。然而,在成熟的免疫抑制策略的临床研究中,很少观察到这些不良反应。静脉给药的另一局限性是BBB的存在会降低给药效率。


综上所述,更大的给药范围可能伴随着更严重免疫反应,但也会带来更好的临床疗效。因此,在风险-收益的平衡中需要考虑多个参数。针对神经退行性疾病,局部给药途径是首选,因为其最大限度地提高了给药效果的同时最小化安全问题。脑脊液内给药是一种新兴的方法,可以实现广泛的给药范围。静脉给药是一种已成功应用于特定疾病的新方法。当一种给药途径过于受限或疾病影响多个CNS区域时,可以组合使用多种给药途径。


 

3 AAV进入中枢神经系统及相关疾病的途径和衣壳蛋白。A. 中枢神经系统给药途径示意图,B. 不同临床给药途径所涉及的疾病和衣壳。(图片来源:Kang L et al., J Control Release, 2023)

 

3.宿主反应

AAV载体的免疫原性产生主要来自于三个方面:人体存在对于wtAAV的免疫记忆(基因治疗前已存在),AAV载体诱导的天然免疫和适应性免疫,基因转导产物诱导的免疫反应。预先存在的免疫原性在人类中普遍存在,大多数个体已感染wtAAV,因此他们的血浆中已经有抗体(IgG和IgM)和补体。当这些个体再次感染AAV,并且BBB被破坏时,其中一些抗体会中和AAV的衣壳蛋白,并阻碍基因转导效率。在不同的临床试验中,免疫策略、手术技术、BBB完整性、AAV制剂等存在差异。因此,中和抗体(NAb)滴度及疗效之间的相关性上没有统一的结论。


AAV载体引起的天然免疫反应较轻微且短暂,长期以来人们对AAV引起的天然免疫反应并未给予足够重视。然而,在基于AAV的基因治疗试验中出现的一些严重的不良事件,甚至导致死亡,使我们再次关注这一问题。这一领域的发展仍需优化分析方法和更丰富的专业知识。


适应性免疫发生在先天免疫之后,并持续很长时间,从而可以进行抗原特异性识别。适应性免疫主要由T淋巴细胞(T细胞)诱导。抑制T细胞功能的免疫抑制剂可有效避免适应性免疫的发生,包括皮质类固醇、西罗莫司、他克莫司、麦考酚酸酯或环孢霉素。