作者:陳正鑫/有勁生物科技

 

    全球誕生的新生兒中,每年都有大約八百萬個左右帶有先天性缺陷或嚴重的遺傳疾病。許多胎兒的健康情況其實在懷孕期間就可以透過諸如絨毛採樣、羊膜穿刺和臍帶血檢查等產前診斷獲得資訊;只不過,縱使知道狀況,現今醫學技術卻仍無法在寶寶出生之前就施以適當的治療,讓這些準父母們面臨是否要繼續妊娠的抉擇。寶寶的單基因遺傳疾病 (Inherited single-gene disorders)中,尤以血紅素病變 (Hemoglobinopathies)最為常見1;患有乙型地中海貧血 (β-thalassemia)的寶寶在出生後可能必須終身接受輸血或骨髓移植,並得承受治療帶來的所有併發症。「對尚未出生的胎兒該如何進行治療」也因此成為社會關注的議題。

 

    耶魯大學研究團隊近期透過基因編輯技術成功地在動物模式下治癒胎兒的乙型地中海貧血2。相對於較為人所知的CRISPR基因編輯技術,他們用來修正異常基因的工具是肽核酸 (PNA; Peptide Nucleic Acids)。肽核酸是一種和DNA、RNA類似的人工合成物,其主鏈骨架是蛋白質結構,但骨架上卻連接著DNA或RNA的鹼基,很容易與DNA或RNA相結合,形成PNA-DNA或PNA-RNA雙螺旋;而由於動物體內缺乏分解肽核酸的酶,這些雙螺旋體比雙股DNA或雙股RNA的生物穩定性更高。本實驗所設計的肽核酸,可辨識突變基因位置、並能跟該變異序列附近上下游的特定區域結合形成穩定的PNA-DNA-PNA三螺旋體,將帶有變異序列的雙股DNA硬生生打開,露出變異區,進而引發內生性的DNA修復機制。本技術同時還加入與突變基因相對應的正常基因序列─稱為donor DNA (供體DNA)─去作為模板,為患者進行突變序列的修正,達到治療的目的3。然而,肽核酸本身有著無法輕易穿越細胞膜、以及透過靜脈或腹腔注射進入動物體內後會被快速清除的缺點,為了克服這個問題,該團隊將肽核酸和donor DNA一起 (簡稱γPNA/DNA)包覆在已獲美國食品藥品管理局 (FDA)認證可用來傳送藥物的奈米粒子 (Nanoparticles; NPs)中,以增加肽核酸在動物體內存留的時間並提高此技術修復基因序列的效能。

 

    該實驗結果顯示:與未經治療 (Untreated)的胎鼠相較起來,基因轉殖胎鼠 (Fetal transgenic mice)在接受過γPNA/DNA NPs治療後,其血紅素含量,由出生後第6週和第10週時的血液檢測結果便可看出明顯提升,到第10週時更已有相當的改善成效。其中接受高劑量 (每公斤體重注射400 mg)治療的胎鼠,其治療效果更好 (詳見圖一a,灰色區域表示血紅色含量在正常範圍之內)。而在周邊血與脾臟的組織染色結果方面,胎鼠在經過治療後15週,其細胞型態看起來和正常小鼠 (Wild type)的比較接近 (如圖一b所示)。在觀察「脾臟腫大」這個乙型地中海貧血的特徵時也發現,曾接受過高劑量γPNA/DNA NPs治療的胎鼠,其脾臟型體和重量在治療經過15週之後皆明顯小於未曾接受治療的胎鼠,大小相較起來也比較接近正常鼠 (見圖一c)。此外,接受過治療的老鼠,出生後500天的存活率達100%,與未治療者的69%存活率相較,延命效果令人驚喜。

 

圖一、經γPNA/DNA NPs靜脈注射治療後,基因轉殖胎鼠的乙型地中海貧血獲得改善

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    此篇研究不僅將基因編輯的應用實踐在動物胎兒的單基因遺傳疾病治療上,也證明了使用肽核酸作為編輯工具很有機會為這類遺傳疾病提供更高的治療成效與安全性。其他基因編輯技術目前仍需擔心所採用的外生性核酸酶 (Exogenous nucleases,藉由載體送進動物體內的核酸酶)會因其基因辨識的專一性不夠高,而去動到其他非治療目標的基因體 (此稱為「脫靶效應Off-target effects」),導致更嚴重的傷害。相較起來,肽核酸合成所用到的酶皆來自動物自身,也只是啟動本身的DNA修補機制,因此應該更適用於基因治療上。未來若能進一步建立大動物 (例如羊或猿猴)的遺傳疾病治療模式,便可更確定此技術是否真能帶來更好的治療成效與更高的安全性。

 

     雖然目前產前胎兒治療的技術尚在動物實驗階段,不過此次的成功確為醫學界帶來一股新希望。當然未來仍預期會面臨許多挑戰,例如真的應用在人體時,是否還能跟動物模式下的結果相同?或是會產生預料之外的副作用?希望這些問題在未來都可迎刃而解;若果如此,屆時就能為那些因胎兒健康問題而飽受折磨的家庭,於終止妊娠之外,提供另一全新的選擇。

 

 

參考文獻

1. Modell, B., Darlison, M. (2008 Jun) Global epidemiology of haemoglobin disorders and derived service indicators. Bull World Health Organ, 86(6), 480-487. http://doi.org/10.2471/BLT.06.036673

2. Ricciardi A.S., et al. (2018 Jun) In utero nanoparticle delivery for site-specific genome editing. Nature Communications, 9(1), 2481-2491. doi: 10.1038/s41467-018-04894-2. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04894-2

3. Quijanoa E., et al. (2017 Dec) Therapeutic Peptide Nucleic Acids: Principles, Limitations, and Opportunities. The Yale Journal of Biology and Medicine, 90(4), 583-598. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29259523

 

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