Human Gene Therapy | O2k在心血管病基因治疗领域的应用

引言

       随着社会经济的发展，人口老龄化及城镇化进程的加速，心血管病危险因素对居民健康的影响越加显著。《中国心血管健康与疾病报告2021》披露，我国目前心血管病患病人数约3.3亿人，其发病率与致死率仍名列前茅，高于肿瘤及其他疾病。大多数心血管疾病是多基因的，并受环境因素的影响。基因治疗不仅能够调节单一基因缺陷的遗传性疾病，而且还可以调节多因素疾病，基因治疗一直是遗传性和获得性心血管疾病的潜在治疗手段。

基因治疗临床前有效性评价为什么要关注线粒体？

       2021年11月，中国国家食品药品监督管理局药审中心发布《基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则(试行)》，其中提到：基因治疗产品(Gene Therapy Products)应开展系统的非临床研究，评估安全性风险，验证有效性机制，以支持开展相应临床试验及上市。其中：基因治疗产品药理学研究是为了在体内、体外研究产品与治疗靶点相关的作用机制和效应，明确基因治疗产品的生物学作用特点；同时提到通过对动物表型、导入基因的体内表达及其功能活性相关的生物标志物等进行检测以说明基因治疗产品的有效性和/或安全性。基因治疗产品通常是将正常基因导入患者的机体细胞中，以取代突变基因；或产生功能性蛋白，恢复细胞的正常功能，达到治疗疾病的目的。线粒体是细胞生命活动的能量工厂，是几乎所有真核生物都存在的一种细胞器。它的主要功能是进行氧化磷酸化(OXPHOS)合成 ATP，是糖类、脂肪和氨基酸等物质的z终氧化释放能量的场所，对维持生物体正常生理功能至关重要；多种疾病的发生发展都与线粒体功能障碍密切相关。因此，线粒体功能改善可以用于基因治疗产品有效性评价的重要参考。

线粒体氧化磷酸化功能评估为基因治疗有效性评价带来的重要参考指标

       线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）系统是线粒体能量代谢的中心，是真核细胞能量产生的关键。支持OXPHOS系统运转的是电子传递链（ETC）的上五种酶复合体：复合体I（CI），复合体II（CII），复合体III（CIII），复合体IV（CIV），由复合体I-IV生成的质子梯度随后被复合体V（ATP合酶）所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系统中任何一个复合体发生变化或异常都会引起线粒体功能障碍，极大影响线粒体能量工厂的正常运转，因此通过检测OXPHOS系统各复合体功能活性来评估线粒体氧化磷酸化功能，将为基因治疗有效性评价带来重要参考指标，但如何快速检测分析OXPHOS各复合体的功能活性，是评估线粒体氧化磷酸化功能的技术难点。目前对OXPHOS各复合体的功能活性的检测，主要是采用比色法，操作时间长，步骤多，只能对单个复合体功能活性进行检测分析，无法一次性检测分析同一样本各复合体功能活性。

       Oroboros O2k独有的一次性同时快速检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性的技术特点：

       Oroboros O2k提供了一种独特的SUIT（底物-解偶联剂-抑制剂-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）检测方案来检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性。Oroboros O2k没有加药孔的限制，也没有试剂盒的限制，可以根据实验设计灵活的不限制的添加底物、抑制剂、解偶联剂及不同浓度的药物滴定，实现同一个样本一次性快速进行复合体I、复合体II、复合体IV、最大呼吸率、ATP合酶的功能活性检测，深度挖掘线粒体能量代谢信息，快速评估和表征线粒体氧化磷酸化功能状态，从而为基因治疗有效性评价带来重要参考指标。

应用案例：O2k在心血管病基因治疗领域的应用

       摘要：心力衰竭是心血管疾病最主要的死亡原因。心脏肥大是充血性心力衰竭的主要危险因素。消除心脏肥大进展是公认的治疗目标。线粒体功能障碍是许多人类疾病的标志，包括心脏肥大和心力衰竭。寡霉素敏感性赋予蛋白（OSCP）是 F1Fo-ATP合酶的关键成分，在线粒体能量代谢中起重要作用。然而，OSCP靶向治疗对心脏肥大的影响仍然未知。在本研究中，作者发现OSCP的心脏表达受损伴随着心脏肥大的线粒体功能障碍。腺相关病毒9型介导的心脏特异性OSCP过表达可以通过改善线粒体功能来保护心脏。该结果可能为心脏肥大和心力衰竭的新疗法提供见解。

       结果：作者使用心脏特异性、腺相关病毒介导的OSCP基因疗法来治疗经由横向主动脉缩窄（TAC）引起的压力超负荷的小鼠。通过O2k评价经OSCP基因治疗后的TAC小鼠的线粒体呼吸能力是否有显著性增强：数据显示OSCP过表达显著上调了常规线粒体呼吸能力，线粒体的最大磷酸化呼吸能力（OXPHOS CI+CII）和最大电子传递系统非耦合呼吸能力（ETS CI+CII）也显著升高。同时OSCP基因治疗保护TAC小鼠免受心肌细胞肥大和纤维化。

参考文献：Guo Y, et al. Sustained Oligomycin Sensitivity Conferring Protein Expression in Cardiomyocytes Protects Against Cardiac hypertrophy Induced by Pressure Overload via Improving Mitochondrial Function. Hum Gene Ther. 2020 Nov;31(21-22):1178-1189.

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