骨关节炎的基因治疗的最新进展

骨关节炎的基因治疗的最新进展 骨关节炎 Osteoarthritis OA 是一种常见的慢性关节疾病 它是一个关 节组织 包括关节软骨 软骨下骨 滑膜囊 韧带及肌肉 代谢平衡失调的动 态过程 它最常见的临床表现为关节痛并伴随着不同程度的关节活动受限和生 活质量的下降 1 根据流行病学调查 2 40 岁以上中老年人群中男性与女性的 发病率分别为 42 6 和 62 4 随着世界老龄化人口的增加 OA 的发病率也呈 现逐渐增加的趋势 OA 的常规治疗给药方式不能在特定病变部位持续保持有 效的治疗浓度 反复给药和大量的费用支出对于 OA 这种慢性疾病来说 将给 患者家庭和社会造成巨大的负担 基因治疗提供了我们一种治疗 OA 的全新途径 基因转染可以用来通过将 编码抗炎因子或生长因子等物质的基因转入关节内的细胞 从而改善关节内结 构退行性变和炎症状况来保护关节的内环境 同样 通过类似的途径 也可以 用基因治疗来修复被 OA 损伤的关节软骨 进而治疗 OA 3 OA 与基因遗传有着非常紧密的联系 4 然而 由于存在众多的相互作用位 点 所以利用近期已发现的 OA 遗传信息 使用目的基因沉默或基因敲除等手 段来进行基因治疗的可能性都比较小 因此 将目的基因转入关节软骨细胞或 滑膜细胞来进行基因治疗是目前的趋势 5 OA 基因治疗的理想对象是局限的或早期骨关节炎 炎症仅在有限的几个关 节 并且没有关节外或全身性的病因 3 这时 将编码目的基因的小分子物质 注射到关节内 经过目的基因在细胞水平的表达 抗炎或修复因子可以长时间 地存在于在关节内 关于目的基因的选择 常用的目的基因可见表 1 将 IL 1 作为目的基因是 OA 基因治疗研究较为成熟的一种 IL 1 在 OA 的炎症反应中扮演着重要角色 在 OA 的关节液中可见 IL 1 大量增加 并且 研究表明 IL 1 可刺激 PGE2 NO 趋化因子等炎症因子的产生 6 早在 1997 年 Pelletier JP 等 7 就将 IL 1Ra 基因注射到经 OA 造模的狗关节腔中 结果表明 经转染 IL 1Ra 基因后 OA 组关节液中的 IL 1 显著降低 从而达到抗炎的作用 随着 OA 基因治疗研 究的深入 人们已经将目标从单一拮抗某种炎症基因或促进某一种促生长因子 基因转变为多基因联合治疗 通过针对 OA 发病机制的研究 针对 OA 发病过 程中的某一关键节点的治疗也有所进展 目的基因类型目的基因类型举例举例 生长因子 GF IGF 1 TGF BMP 2 FGF 细胞因子及其拮抗物IL 1 IL 1Ra IL 4 IL 4Ra 蛋白酶抑制剂TIMP 纤溶酶原激活物抑制剂 PAI 丝氨酸蛋白酶 抑制剂 自由基拮抗剂SOD 转录因子或信号分子Sox 5 Sox 6 Sox 9 NF B 细胞基质分子二型胶原 软骨寡聚基质蛋白 COMP 酶磷酸果糖转氨酶 GFAT 凋亡抑制蛋白Bcl 2 表 1 OA 基因治疗的常用目的基因 由于 IL 1 和 TNF 可以通过激活转录因子 核因子 NF B 激活蛋白 AP 1 和 CAAT 增强子结合蛋白 C EBP 家族等 来诱导前炎症因子如 IL 6 IL 8 和巨噬细胞集落刺激因子 GMCSF 等的释放 8 10 Chen LX 等 11 将含 NF Bp65 的腺病毒 SiRNA 注射到大鼠关节腔内 结果发现 2 周后大鼠关 节液中 IL 1 和 TNF 的量较对照组明显减少 从而证明 NF Bp65 在 IL 1 和 TNF 的调节中起着重要作用 另一方面也可以看到 针对炎症因子可以从 其信号通路的中间点进行抑制 从而达到基因治疗的目的 Bondeson J 等 12 的 研究也验证了这一点 通过将含 NF B 抑制剂的基因转入 OA 滑膜纤维母细胞 IL 6 MMP 1 MMP 3 和 TNF 受体等炎症因子的表达都受到抑制 但由于炎 症因子的释放是多因素导致的 仅利用 NF Bp65 并不能完全抑制 IL 1 和 TNF 的释放 其效果也相对有限 Chen B 等 13 同时在体外和体内进行了 bFGF IL 1Ra 和 IGF 1 多个基因的 转染 在体外 他们将分别载有 bFGF IL 1Ra 和 IGF 1 基因的腺病毒加入人 OA 软骨细胞中 结果发现实验组的 GAG 含量 二型胶原的合成和 TIMP 1 的 水平都有所增加 相反地 实验组的 ADAMTS 5 MMP 13 和 MMP 3 的水平 下降 在体内试验 他们将分别载有 bFGF IL 1Ra 和 IGF 1 基因的腺病毒注 射到兔的关节腔内 结果显示 bFGF 可增加关节软骨中二型胶原的表达并降低 OA 组的 Mankin 评分 试验表明单基因转染时 bFGF 可有效的促进二型胶原的 分泌 在 OA 存在软骨缺损时 它修复软骨的能力将发挥重要作用 试验还指 出 多基因转染效果优于单基因转染 由于 OA 是多因素导致的关节软骨退行 性变 多基因转染可从不同方面针对 OA 的发病机理发挥作用 从而增强治疗 效果 除了抑制炎症因子的产生 促进合成物质产生也是 OA 基因治疗的重要方 面 TGF 是软骨细胞强有力的合成代谢因子 Blaney DE 等 14 将编码 TGF 的腺病毒和编码 Smad 7 一种 TGF 信号转导通路抑制物 的腺病毒同时注射 到小鼠的膝关节中 结果发现过度表达的 Smad 7 可以强烈抑制 TGF 诱导的 滑膜纤维化 但并不降低 TGF 对软骨的修复能力 从而对 OA 的基因治疗起 到重要作用 并显示出良好的应用前景 目前 主要是在体内或体外利用病毒或非病毒两种载体将目的基因转入细 胞 11 15 16 目前的病毒载体主要有 逆转录病毒 17 慢病毒 18 腺病毒 13 腺 相关病毒 3 和单纯疱疹病毒 3 非病毒载体主要有 壳聚糖 16 脂质体 19 乳 糖 20 及半乳糖 21 等 病毒载体因其是将目标基因插入受体细胞的 DNA 中 病 原性 基因突变和癌化倾向都是难以回避的问题 然而其存在转染率高 表达 稳定的优点 故仍有着较广泛的应用 非病毒载体的生物安全性较病毒载体要 安全 同时 因价格低廉和细胞毒性低等优点 非病毒载体有着非常良好的应 用潜力 壳聚糖已成为近年非病毒载体的研究热点 然而 将其应用于 OA 的 研究目前并不多见 22 24 OA 的基因治疗正从实验室走进临床 随着有效目的基因的筛选 安全高 效的载体和基因长期表达等问题的逐步解决 OA 的基因治疗将有着光明的明 天 参考文献参考文献 1 Busija L Bridgett L Williams SR et al Osteoarthritis J Best Pract Res Clin Rheumatol 2010 24 6 757 68 2 Yoshimura N Epidemiology of osteoarthritis in Japan the ROAD study J Clin Calcium 2011 21 6 821 25 3 Evans CH Gouze JN Gouze E et al Osteoarthritis gene therapy J Gene Ther 2004 11 4 379 89 4 Valdes AM Spector TD The genetic epidemiology of osteoarthritis J Curr Opin Rheumatol 2010 22 2 139 43 5 Kang R Ghivizzani SC Muzzonigro TS et al The Marshall R Urist Young Investigator Award Orthopaedic applications of gene therapy From concept to clinic J Clin Orthop Relat Res 2000 375 324 37 6 Berenbaum F Targeted therapies in osteoarthritis a systematic review of the trials on www clinicaltrials gov J Best Pract Res Clin Rheumatol 2010 24 1 107 19 7 Pelletier JP Caron JP Evans C et al In vivo suppression of early experimental osteoarthritis by interleukin 1 receptor antagonist using gene therapy J Arthritis Rheum 1997 40 6 1012 19 8 Vincenti MP Brinckerhoff CE Early response genes induced in chondrocytes stimulated with the inflammatory cytokine interleukin 1beta J Arthritis Res 2001 3 6 381 88 9 Karin M Delhase M The I kappa B kinase IKK and NF kappa B key elements of proinflammatory signalling J Semin Immunol 2000 12 1 85 98 10 Thomas B Berenbaum F Humbert L et al Critical role of C EBPdelta and C EBPbeta factors in the stimulation of the cyclooxygenase 2 gene transcription by interleukin 1beta in articular chondrocytes J Eur J Biochem 2000 267 23 6798 809 11 Chen LX Lin L Wang HJ et al Suppression of early experimental osteoarthritis by in vivo delivery of the adenoviral vector mediated NF kappaBp65 specific siRNA J Osteoarthritis Cartilage 2008 16 2 174 84 12 Bondeson J Lauder S Wainwright S et al Adenoviral gene transfer of the endogenous inhibitor IkappaBalpha into human osteoarthritis synovial fibroblasts demonstrates that several matrix metalloproteinases and aggrecanases are nuclear factor kappaB dependent J J Rheumatol 2007 34 3 523 33 13 Chen B Qin J Wang H et al Effects of adenovirus mediated bFGF IL 1Ra and IGF 1 gene transfer on human osteoarthritic chondrocytes and osteoarthritis in rabbits J Exp Mol Med 2010 42 10 684 95 14 Blaney DE Vitters EL van den Berg WB et al TGF beta induced cartilage repair is maintained but fibrosis is blocked in the presence of Smad7 J Arthritis Res Ther 2006 8 3 R65 15 Ghivizzani SC Oligino TJ Glorioso JC et al Direct gene delivery strategies for the treatment of rheumatoid arthritis J Drug Discov Today 2001 6 5 259 67 16 Lu HD Zhao HQ Wang K et al Novel hyaluronic acid chitosan nanoparticles as non viral gene delivery vectors targeting osteoarthritis J Int J Pharm 2011 420 2 358 65 17 Piper KE Hanssen AD Lewallen DG et al Lack of detection of human retrovirus 5 proviral DNA in synovial tissue and blood specimens from individuals with rheumatoid arthritis or osteoarthritis J Arthritis Rheum 2006 55 1 123 25 18 Wang J Gardner BM Lu Q et al Transcription factor Nfat1 deficiency causes osteoarthritis through dysfunction of adult articular chondrocytes J J Pathol 2009 219 2 163 72 19 Zhang HN Leng P Wang YZ et al Treating human meniscal fibrochondrocytes with hIGF 1 gene by liposome J Clin Orthop Relat Res 2009 467 12 3175 82 20 Jain N Goldschmidt V Oncul S et al Lactose ornithine bolaamphiphiles for efficient g