第15章 遗传病治疗

第十五章 遗传病的治疗(therapy of genetic diseases),随着分子生物学技术在医学中广泛应用，医学临床诊断和临床检测技术得到迅速提高，人们对人类遗传病的研究已经取得了许多重要成果，特别是重组DNA技术在医学中的应用，遗传病的治疗有了突破性的进展，已从传统的手术治疗、饮食疗法和药物疗法等跨入了基因治疗，为遗传病根治开辟了广阔的前景。,第一节 手术治疗,当遗传病发展到已出现各种临床症状尤其是器官组织已出现了损伤，应用外科手术的方法对病损器官进行切除、修补或替换。可有效地减轻或改善症状。手术疗法主要包括手术矫正和器官移植两方面。,一、手术矫正 外科手术矫正是手术治疗中的主要手段。对遗传病所造成的畸形可用手术进行矫正或修补，例如修补和缝合唇裂、腭裂，矫正先天性心脏畸形及两性畸形等。对某些先天性代谢病可以手术的方法调整体内某物质的生化水平。,二、器官和组织移植 根据遗传病患者受累器官或组织的不同情况，结合免疫学研究与技术的不断深入，免疫排斥问题得到控制，有针对性地进行组织或器官的移植是治疗某些遗传病的有效方法。例如，对家族性多囊肾，遗传性肾炎等进行肾移植，肾移植也是迄今最成功的器官移植。,第二节 药物治疗,对遗传病的药物治疗的原则是“补其所缺”、“去其所余”，实施过程可分为：出生前治疗、症状前治疗和现症患者治疗。,一、出生前治疗 药物治疗可以在胎儿出生前进行，这时可以大幅度地减轻胎儿出生后的遗传病症状。例如，产前诊断如确诊羊水中甲基丙二酸含量增高，提示胎儿可能患甲基丙二酸尿症，该病会造成新生儿发育迟缓和酸中毒，在出生前和出生后给母体和患儿注射大量的维生素B12，能使胎儿或婴儿得到正常发育。,二、症状前治疗 对于某些遗传病，采用症状前药物治疗也可以预防遗传病的病症发生而达到治疗的效果。如发现新生儿甲状腺功能低下，可给予甲状腺素制剂终生服用，以防止其发生智能和体格发育障碍。对于苯丙酮尿症、枫糖尿症、同型胱氨酸尿症或半乳糖血症等遗传病，如能通过筛查在症状出现前做出诊断，及时给予治疗，可获得最佳效果。,三、现症患者治疗 若在出生后，当遗传病发展到各种症状已经出现，机体器官已经受到损害，这时治疗的作用就仅限于对症。药物治疗的原则可以概括为“去其所余，补其所缺”。,（一）去其所余 对于一些因酶促反应障碍，导致体内贮积过多的代谢产物，可使用各种理化方法将过多的毒物排除或抑制其生成，使患者的症状得到明显的改善，称为去余。主要方法包括： 1应用螯合剂 2应用促排泄剂 3利用代谢抑制剂 4血浆置换或血浆过滤 5平衡清除（equilibrium depletion）法,（二）补其所缺 对于某些因X染色体畸变所引起的女性疾病，可以补充雌激素，使患者的第二性征得到发育，也可以改善患者的体格发育。垂体性侏儒患者可给予生长激素治疗。先天性肾上腺皮质增生症患者，可用类固醇激素予以治疗；糖尿病患者注射胰岛素等均可使症状得到明显的改善。但这种补充常需终生进行才能维持疗效。,（三）酶疗法 遗传性代谢病通常是由于基因突变造成酶的缺失或活性降低，可用酶诱导和酶补充的方法进行治疗。 1酶诱导治疗 2酶补充疗法,（四）维生素疗法 有些遗传代谢病是酶反应辅助因子（如维生素）合成不足，或者是缺乏的酶与维生素辅助因子的亲和力降低，因此通过给予相应的维生素可以纠正代谢异常。例如，叶酸可以治疗先天性叶酸吸收不良和同型胱氨酸尿症；生物素可以用于治疗混合型羧化酶缺乏症和丙酸血症等。,第三节 饮食疗法,饮食疗法治疗遗传病的原则是禁其所忌，即对因酶缺乏而造成的底物或中间产物堆积的患者，制定特殊的食谱或配以药物，以控制底物或中间产物的摄入，减少代谢产物的堆积，达到治疗的目的。,一、产前治疗 现代医学遗传学技术已经根据系谱分析和产前诊断确诊多种遗传病胎儿，有些遗传病可以在其母亲怀孕期间就进行饮食治疗，使患儿症状得到改善。 例如遗传病饮食治疗第一个获得成功的例子是对患有半乳糖血症风险的胎儿，在孕妇的饮食中限制乳糖和半乳糖的摄入量代以其他的水解蛋白（如大豆水解蛋白），胎儿出生后再禁用人乳和牛乳喂养，患儿会得到正常发育。,二、现症患者治疗 1953年，Bickle等首次用低苯丙氨酸饮食法治疗苯丙酮尿症患儿，治疗后患儿体内苯丙氨酸明显减少，症状得到缓解。 现在经改良已有商品化的低苯丙氨酸奶粉出售，如果在出生后，立即给患儿服用这种奶粉，患儿就不会出现智力低下等症状。 随着患儿年龄的增大，饮食治疗的效果就越来越差，所以要求早诊断，早治疗。 目前，针对不同的代谢病已设计出100多种奶粉和食谱。,第四节 基因治疗,基因治疗（gene therapy）是运用重组DNA技术，将具有正常基因及其表达所需的序列导入到病变细胞或体细胞中，以替代或补偿缺陷基因的功能，或抑制基因的过度表达，从而达到治疗遗传性疾病的目的。,一、基因治疗的策略 根据宿主病变的不同，基因治疗的策略也不同，概括起来主要有下列几种： （一）基因修正 （二）基因替代 （三）基因增强 （四）基因抑制和（或）基因失活,（一）基因修正（gene correction） 通过特定的方法如同源重组或靶向突变等对突变的DNA进行原位修复,将致病基因的突变碱基序列纠正，而正常部分予以保留。 但目前在技术上还无法做到。因为要在人基因组的某个特异部位上进行重组是一个非常复杂的过程。然而原位修复的方法无疑是进行基因治疗最理想的途径和目的。,（二）基因替代（gene replacement） 基因替代指去除整个变异基因，用有功能的正常基因取代之，使致病基因得到永久地更正。传统上所谓基因治疗实际上就是指基因替代疗法，就像外科移植手术一样。,（三）基因增强（gene augmentation） 将目的基因导入病变细胞或其他细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能或使原有的功能得到加强。 近十年来已经发展了许多有效的方法可将目的基因导入真核细胞并获得表达，因而是目前较为成熟的方法。这一方案最适宜隐性单基因疾病的治疗。,（四）基因抑制和（或）基因失活 导入外源基因去干扰、抑制有害的基因表达。例如，向肿瘤细胞内导入肿瘤抑制基因（如rb或p53）， 以抑制癌基因的异常表达。利用反义技术封闭某些特定基因的表达，以达到抑制有害基因表达的目的。这一新技术已被广泛用于肿瘤和病毒性疾病（如艾滋病）的基因治疗研究中。,二、基因治疗的种类 基因治疗根据靶细胞的类型可分为： 生殖细胞基因治疗 体细胞基因治疗,从理论上讲，将受精卵早期胚胎细胞作为目标进行生殖细胞的基因治疗是可行的 但由于伦理学障碍和技术上的困难使生殖细胞治疗目前仍为禁区 体细胞基因治疗只涉及体细胞的遗传转变，不影响下一代，广泛接受作为严重疾病的治疗方法之一，在现代伦理道德上是可行的。,三、基因治疗的方法 （一）目的基因的转移 把外源基因安全有效地转移到靶细胞中，是实现基因治疗的第一个关键步骤。,目前基因转移技术可分为六种类型: 1.物理方法 直接注射法 电穿孔法 微粒子轰击法 2.化学法 应用磷酸钙沉淀法改变细胞膜透性，以加强细胞从培养液中摄取外源DNA。但此法转移效率低，其成功率约在1/10001/100。,3.膜融合法 利用人工脂质体或红细胞影泡、微细胞、原生质球等（如人工脂质体）通过与靶细胞融合或直接注射到病灶区，令其内含的外源基因表达，可达到基因治疗的目的。,4.受体载体转移法 将含有目的基因的重组质粒和某些细胞表面受体能识别的特异性多肽（配体）形成复合物，可通过细胞内吞途径达到转移基因的目的，这种方法可使外源基因在活体内导向特异类型的细胞，如可将目的基因和去唾液酸糖蛋白偶连起来，使肝细胞能特异性的吸入，并在肝细胞中表达。,5.同源重组法（homologous combination） 将外源性目的基因定位或原位修补，导入的外源基因和染色体上的基因在同源顺序间发生重组而插入染色体，这样外源基因不是随机地而是专一地整合到靶细胞的特定位点，取代原位点上的缺陷基因。,6.病毒介导转移法(viral mediated gene transfer) 通过转换方式完成基因转移，即以病毒为载体，将外源目的基因通过基因重组技术，组装于病毒上，让这种重组病毒去感染受体宿主细胞，这种病毒称为病毒运载体（viral vector）。,目前有两类病毒可以作为载体： 反转录病毒（retrovirus） 反转录病毒虽是RNA病毒，但有反转录酶，可使RNA转录为DNA,再整合到细胞基因组。反转录病毒具有以下三个优点：首先是它具有穿透细胞的能力，其转染率可达100%；其次是宿主范围广，可同时感染大量细胞并长期停留。,DNA病毒（DNA virus） DNA病毒包括腺病毒、SV40病毒、牛乳头瘤病毒、疱疹病毒等。其中腺病毒是近年来倍受关注的DNA病毒，因为它具有插入DNA较长，不需要正在分裂的靶细胞，可以原位感染和病毒滴度高等优点，此外，由于腺病毒载体一般不会整合到宿主的基因组中，从而大大减少了插入突变的危险。,（二）靶细胞的选择 转基因治疗中的靶细胞选用应该是在体内能保持相当长的寿命或者具有分裂能力的细胞，这样才能使被转入的基因能有效地、长期地发挥“治疗”作用。因此干细胞、前体细胞都是理想的转基因治疗靶细胞。,以目前的观点看，骨髓细胞是惟一满足以上标准的靶细胞，而骨髓的抽取、体外培养、再植入等所涉及的技术都已成熟；另一方面，骨髓细胞还构成了许多组织细胞（如单核巨噬细胞）的前体，除了骨髓以外，肝细胞、神经细胞、内皮细胞、肌细胞也可作为靶细胞来研究或实施转基因治疗。,（三）反义寡核苷酸技术 一些遗传病和肿瘤往往是基因突变或过量表达而产生异常的蛋白质所致，如果应用DNA和RNA的碱基互补，可形成同源和异源双链的原理将这些突变基因转录的mRNA(DNA)阻断在翻译（或转录）前，使症状得到改善。即人为的制成反义核酸，使其和mRNA互补结合，阻止其翻译成蛋白质而达到治疗疾病的目的。,（四）三链形成寡核苷酸(triplex-forming oligonucleotides, TFO) 三链形成寡核苷酸是指一段DNA或RNA寡核苷酸在DNA 大沟中以、Hoogsteen氢键与DNA高嘌呤区结合，形成三链结构。TFO 可与启动子区或结构基因结合而抑制基因转录。 这项策略要求DNA靶位点附近的嘌呤含量丰富，因而限制了该项技术的广泛应用。,(五)核酶（ribozyme）与核酶介导的反式剪接 核酶是由RNA构成的具有催化功能的酶，可以作为基因表达和病毒复制的抑制剂，在肿瘤和HIV感染的基因治疗中有广泛的应用。,(六) RNA干扰（RNA interference） RNA干扰现象于1998年发现。Fire和 Mello等发现RNA的意义链和反义链均可抑制基因的表达，设想二者在抑制基因的表达中可能有累加的功能。研究表明，意义链和反义链RNA共存抑制基因表达的效率达到单一意义链或反义链RNA的10倍以上，这种双链RNA（dsRNA）介导的转录后基因沉默(PTGS)现象称为RNA干扰，简称为RNAi 。,(七)药物靶向治疗 药物靶向治疗（drugstargeting）机制可概括为病毒导向酶的药物前体治疗（VDEPT），即用反转录病毒载体的外源基因转移到细胞内。该基因编码一种酶，此酶可将一种无害的药物前体转变为细胞毒素复合物。,带有这一基因的病毒载体只在特殊组织或肿瘤细胞中而不在正常细胞中表达。例如，胞嘧啶脱氨酶（cytosine deaminase）可将无害的5-氟胞嘧啶转变为细胞毒素5-氟胞嘧啶,此病毒可感染正常细胞和癌细胞，但将该酶基因连接到一种“分子开关”后，则只能在肿瘤细胞中表达。,Sikora等设计一个“嵌合小基因（chimeric minigene）”，即将酶基因连接到erbB2基因启动子的下游，此启动子活性增强，使erbB2在乳腺癌细胞中过度表达。此时，药物5-FC注入细胞后即转变为5-FU而致癌细胞死亡。而当5-FC给予含有此嵌合基因却无erbB2表达的细胞时，亦无药物前体活性。,（八）多抗药基因疗法 由于多抗药性（MDR）基因已被克隆，因此人们设想分离患者的造血干细胞，将MDR 基因从体外转导进去，使这种干细胞获得多药耐药性，再回输给患者，使得由此类被修饰的干细胞繁衍的白细胞具有多药耐药性，而肿瘤细胞未获得MDR基因，不具备耐药性或耐药性较差，这样在加大化疗剂量或在持续较长时间化疗的情况下，可大量杀死肿瘤细胞而白细胞较少受损，以此达到治疗肿瘤的目的。,（九）抑癌基因疗法 野生型抑癌基因的失活和肿瘤的发生密切相关，因此人们设想将正常的野生型抑癌基因导入肿瘤细胞以代替和补偿有缺陷的抑癌基因，从而抑制肿瘤的生长或逆转其表型。这是基因添加的一种方式。这方面研究最多的是P53基因。,编码 抑制 抑制野生型p53基因 P53蛋白P21蛋白 CDK2+cyclinA 、E G1 S p53基因影响细胞分裂的机制示意图,五、基因治疗的临床应用 迄今为止，只有20种遗传病被列为基因治疗的主要对象，其中部分疾病研究已进入了临床试验阶段。,（一）遗传病 1腺苷脱氨酶（adenylate deaminase，ADA）缺乏症 这是一种AR病，因ADA缺乏，致脱氨腺苷酸增多，改变了甲基化的能力，产生毒性反应，患者T淋巴细胞受损，引起反复感染等症状。,Anderson等提出了一项关于ADA缺乏症的临床基因治疗方案，具体内容是：先分离病人外围血T淋巴细胞，在体外培养；在培养时，用IL-2等促细胞生长因子刺激它生长，一旦T淋巴细胞分裂后就用含正常ADA基因的反转录病毒载体LASN导入这种细胞，然后回输病人，以达到用正常的ADA基因替代有缺陷的ADA基因的目的，实现基因治疗。,ADA基因治疗中应用的ADA转移和表达载体结构（LASA） ADA示ADA基因的cDNA；NEO示新霉素抗性基因；（A）n示多聚腺苷酸； +示包装信号；SV示SV40启动子和增强子。,2血友病B 本病是XR遗传病，病人因子缺乏，基因定位于Xq26.3q27.2。主要临床特征是易出血，凝血时间长，外伤后常出血不止。发病率1/3万。,我国复旦大学应用反转录病毒载体转移因子基因到培养的中国仓鼠卵巢细胞（CHO）中，得到了较好的表达。1990年又将该基因转移至病人皮肤成纤维细胞中，产生了高滴度有凝血活性的因子蛋白。1991年又通过上述方法，将因子基因转入2名患者体外培养的细胞中，然后回植入病人皮内，已检测到导入体内的因子基因表达产物，病人症状也有所改善，获得了初步疗效。,凝血因子cDNA转移和表达载体结构图（PXL-J）SO为SV40病毒复制起始点；PBO为PBR322复制起始点,（二）免疫缺陷 原发性免疫缺陷多有遗传背景，如淋巴细胞功能协同抗原（LFA-1）缺损是近年来发现的免疫分子缺损，LFA-1缺损是一种白细胞粘附分子缺损（LAD）。LFA-1存在于淋巴细胞，单核细胞及粒细胞表面，由、链以非共价键连接而成。LFA-1缺损是链基因突变所致。,（三）肿瘤的基因治疗 对肿瘤的基因治疗分为： 对宿主细胞的修饰 对肿瘤细胞的修饰,对宿主细胞的修饰包括: 1.将一些对细胞有毒药物具有抗性的基因转移至造血前体细胞以降低治疗药物对骨髓的毒性,这样就可以用高剂量的药物杀伤肿瘤细胞而不破坏骨髓细胞。,2.涉及免疫系统，如果抗肿瘤应答（如CTL、TIL等）已经存在，导入细胞因子的基因有可能扩大抗肿瘤效应。,对肿瘤细胞的修饰是达到以下三个目标： 1.改正肿留细胞的基因突变，降低其生长率，诱导肿瘤消退。,2.导入酶药物前体（pro-drug），形成肿瘤特异的敏感性。,3.导入目的基因以增强肿瘤的免疫原性，从而被机体的免疫系统所识别。,（四）艾滋病的基因治疗 艾滋病是由HIV感染引起的。HIV是一反转变病毒，与靶细胞膜上的CD4分子结合后进入细胞，HIV基因组RNA在反转录酶的作用下，反转录成cDNA，然后整合至宿主染色体。,（五）乙型肝炎的基因治疗 HBV慢性感染的发病率和死亡率很高。尽管-干扰素用于许多乙肝病例是有效的，但是迄今为止，尚没有特异的治疗方法。用无唾液酸基血清类黏蛋白与多聚-L-赖氨酸结合，把特异双链DNA或者单链DNA（反义顺序）输入到具有无唾液酸基粘蛋白受体的肝细胞。,（六）血管疾病的基因治疗 把外源性基因成功地转移到动脉血管壁细胞，给动脉性疾病的病理生理学研究带来了一线曙光。在一个特定的部位把转移基因转移到血管壁细胞，转移基因所编码的重组蛋白在该处持续地表达，从而产生有意义的生物学效应，最终达到治疗的效果。,六、基因治疗面临的问题 （一）提供更多可利用的基因 目前有治疗价值的基因太少。基因治疗是导入外源基因以达到治疗目的的新型医疗方法。以恶性肿瘤为例，能抑制肿瘤生长的基因为数不多；遗传病中多基因疾病的基因尚不清楚，因此难以达到治疗目的。,（二）设计定向整合的载体 目前导入基因的手段不理想。基因治疗的基因导入手段要求是高效导入，而且能定向地导入体内某种细胞。已有手段均属低效和无导向性。因此，即使导入的基因有治病效果，但由于不能有效地导入，效果也会大受影响。,（三）导入基因的高效表达 迄今所有导入细胞的目的基因表达率都不高，