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干貨篇|AAV在肌肉組織中的靶向應用策略

肌(ji)肉是(shi)(shi)人(ren)體的(de)(de)重要組成部(bu)分(fen),不(bu)僅是(shi)(shi)多種肌(ji)營養不(bu)良疾(ji)病基(ji)因治療的(de)(de)靶(ba)組織(zhi)(zhi),還可作為(wei)生(sheng)產和分(fen)泌治療遠端(duan)器官疾(ji)病功能(neng)蛋(dan)白的(de)(de)生(sheng)物工廠,肌(ji)肉組織(zhi)(zhi)的(de)(de)這些特征(zheng)使(shi)其(qi)成為(wei)開(kai)發基(ji)因治療策(ce)(ce)略的(de)(de)通用平臺,用于(yu)遞(di)送相關疾(ji)病功能(neng)基(ji)因。AAV載體是(shi)(shi)將基(ji)因轉移到骨骼(ge)肌(ji)和心肌(ji)等肌(ji)肉組織(zhi)(zhi)的(de)(de)理想載體,經AAV轉導后肌(ji)肉細(xi)胞可以表達功能(neng)性重組蛋(dan)白,并將這些蛋(dan)白分(fen)泌到血液中(zhong)進行全(quan)身遞(di)送,通過(guo)這種策(ce)(ce)略用于(yu)糖尿病、動脈粥(zhou)樣硬化、血友病及癌癥(zheng)等的(de)(de)疾(ji)病治療,目前由AAV介導的(de)(de)肌(ji)肉基(ji)因治療已逐步邁入臨床(chuang)。本(ben)期我們整理了AAV在肌(ji)肉組織(zhi)(zhi)的(de)(de)靶(ba)向策(ce)(ce)略以及部(bu)分(fen)案(an)例,希望(wang)對(dui)大家的(de)(de)研究有所幫助。


一、啟動子的(de)選擇(ze)
在(zai)肌(ji)肉組織的(de)(de)(de)研(yan)究中,除了可(ke)以選(xuan)(xuan)擇CMV和(he)CAG等常(chang)用的(de)(de)(de)廣譜啟(qi)動子,還可(ke)選(xuan)(xuan)擇肌(ji)肉特(te)異(yi)性(xing)啟(qi)動子MCK,以實現基因在(zai)肌(ji)肉中高效(xiao)和(he)特(te)異(yi)性(xing)的(de)(de)(de)表達。
維真生物肌肉(rou)組織(zhi)特異性啟動子(zi)可(ke)供選擇:

名稱

大小(xiao)

來源

描(miao)述

MCK

1.3 kb

小鼠

肌酸(suan)激酶(mei)基因啟(qi)動子

3×enhancer
MCK

728 bp

小鼠

修改(gai)的肌酸激酶基因啟(qi)動子


二(er)、AAV血(xue)清型的選擇

根據文(wen)獻(xian)報(bao)道,AAV1、2、6、7、8和9均可有效轉導肌(ji)肉組織,但(dan)若要實現基因在(zai)肌(ji)肉組織的(de)更高特異(yi)性地表達(da),通常是(shi)建議結合(he)合(he)適(shi)的(de)血清型、肌(ji)肉特異(yi)性啟動子以及適(shi)當的(de)給藥方式來實現。
1、AAV9結合CK6啟動(dong)子(zi),通過頸(jing)靜(jing)脈(mo)注射的(de)方式可高(gao)效、選(xuan)擇性的(de)將(jiang)基因(yin)傳遞到骨骼肌。

AAV9結合CK6啟(qi)動(dong)子(zi)經頸靜(jing)脈注射后高效靶向缺(que)血性(xing)骨骼(ge)肌

(Katwal AB, et al. Gene Ther. 2013)


實驗動物

血(xue)清型

啟動子(zi)

注射(she)方式

病毒用量


成年雄性
C57BL/6小鼠


AAV9

CK6


頸靜脈
注射


4.15×1011

vg/mouse



2、AAV1和AAV6均可有效靶(ba)向橫紋肌,由于AAV6與(yu)肝素(su)有較好的親(qin)和力,與(yu)AAV1相比,無論是通過(guo)肌肉注射還是靜脈(mo)注射,AAV6都能以更高的效率持續轉導橫紋肌。

相比(bi)AAV1,AAV6經肌肉注射后有效靶(ba)向橫紋肌


實驗動物

血清型

啟動子(zi)

注射部位

病毒用量

注射體積

3月齡(ling)雄性

C57BL/6小(xiao)鼠(shu)

AAV1
AAV6

CMV

雙側脛骨

前(qian)肌

108vg
109vg
1010vg

25 μL病毒稀釋液

相比AAV1,AAV6經靜脈注射后有效靶(ba)向橫紋肌

(Arnett AL, et al.Gene Ther.2013)


實驗動物

血清型

啟動子

注射部位

病毒用量

注射體積

3月齡雄性

C57BL/6小鼠

AAV1
AAV6

CMV

尾靜(jing)脈
注(zhu)射

2x1012vg

200 μL


3、來自美國布羅德研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)和哈佛(fo)大學等(deng)研(yan)究(jiu)(jiu)機構的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)人員在小鼠(shu)和靈長類動(dong)物體(ti)(ti)(ti)內定向進(jin)化出一種(zhong)工程化改造的(de)(de)AAV載(zai)(zai)體(ti)(ti)(ti)— MyoAAV,研(yan)究(jiu)(jiu)顯示這種(zhong)載(zai)(zai)體(ti)(ti)(ti)能夠高效靶向肌肉(rou)組(zu)織(zhi),遞(di)送到(dao)(dao)肌肉(rou)組(zu)織(zhi)的(de)(de)效率是傳(chuan)統病毒載(zai)(zai)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)10倍以上。同時,與傳(chuan)統遞(di)送載(zai)(zai)體(ti)(ti)(ti)相比,該載(zai)(zai)體(ti)(ti)(ti)在遺(yi)傳(chuan)性(xing)肌肉(rou)疾(ji)病中的(de)(de)治療劑量(liang)降低大約100到(dao)(dao)250倍,可有效降低肝(gan)臟損(sun)傷和其他嚴重副作用的(de)(de)風險。
全身給藥后,MyoAAV 1A可高效轉(zhuan)導小鼠(shu)骨骼肌(ji)

(Mohammadsharif Tabebordbar,et al.Cell.2021)


實驗(yan)動物(wu)

血清型

啟(qi)動子

注(zhu)射
方式(shi)

病毒用量

檢測
時間

8周齡

C57BL/6J小鼠

AAV9、
MyoAAV 1A

CMV

系統
注射

1E+12 vg

(~4E+13 vg/kg)

注射后

2周



三(san)、AAV給藥途徑(jing)的(de)選擇

載體(ti)給藥(yao)(yao)途徑可以(yi)(yi)影響AAV在體(ti)內的(de)組(zu)織趨向(xiang)性和轉導效(xiao)率(lv)。多種AAV給藥(yao)(yao)途徑可以(yi)(yi)實現局部(bu)或(huo)全身的(de)肌肉基因(yin)轉移,以(yi)(yi)達(da)到不同(tong)的(de)治療(liao)目的(de),如肌肉注(zhu)(zhu)(zhu)射(she)、逆(ni)行經靜(jing)脈肢體(ti)灌注(zhu)(zhu)(zhu)、冠(guan)狀動脈內灌注(zhu)(zhu)(zhu)、再循環給藥(yao)(yao)、腹腔注(zhu)(zhu)(zhu)射(she)和靜(jing)脈給藥(yao)(yao),以(yi)(yi)及針對特定器官的(de)方(fang)法比如心(xin)包內注(zhu)(zhu)(zhu)射(she)和心(xin)內膜注(zhu)(zhu)(zhu)射(she)等。
其中(zhong)(zhong),肌(ji)(ji)肉(rou)注射(she)簡單(dan)方便,可以將載體(ti)輸送到(dao)目標肌(ji)(ji)肉(rou)群(qun),小鼠肌(ji)(ji)肉(rou)注射(she)的(de)常見部位包括脛骨前肌(ji)(ji)、腓腸(chang)肌(ji)(ji)和股四頭肌(ji)(ji);逆行經(jing)靜(jing)脈肢體(ti)灌注針對更多的(de)肌(ji)(ji)肉(rou)群(qun),更加(jia)適(shi)合治療影響大肌(ji)(ji)肉(rou)群(qun)的(de)疾病;心包內(nei)注射(she)通常用于新生動(dong)物,可同時轉導心臟和隔膜(mo);心內(nei)膜(mo)注射(she)在(zai)犬和NHP模型中(zhong)(zhong)可實(shi)現心臟基(ji)(ji)因(yin)的(de)整體(ti)遞(di)送;冠狀動(dong)脈內(nei)灌注將治療基(ji)(ji)因(yin)傳(chuan)遞(di)到(dao)心臟已應(ying)用于臨(lin)床試驗;腹腔(qiang)注射(she)和靜(jing)脈給藥可實(shi)現全(quan)身的(de)肌(ji)(ji)肉(rou)基(ji)(ji)因(yin)轉移,但易(yi)產生脫靶(ba)和免疫(yi)毒(du)性(xing)。


方法

優點

缺點

原位
注(zhu)射

肌肉注(zhu)射、逆行經靜脈肢體(ti)灌(guan)注(zhu)、冠狀動(dong)脈內灌(guan)注(zhu)、心包(bao)內注(zhu)射、心內膜注(zhu)射、再循環給(gei)藥(yao)

轉(zhuan)導效率高;

靶向(xiang)性(xing)強;

低(di)免疫反應;

不能(neng)轉導大肌肉(rou)群

系統(tong)性(xing)注射

腹腔注射靜脈給藥

廣泛轉導(dao)大肌肉群乃至全身肌肉

高(gao)劑量載體需(xu)求(qiu)易產生脫靶和(he)免疫毒性;AAV血清型有限


下面簡述肌肉注射方式的操作步驟:
1、對小鼠(shu)進行稱(cheng)重,腹腔注射甲苯噻嗪/氯胺酮混(hun)合液將小鼠(shu)麻醉;
2、對小鼠(shu)右脛前肌進行(xing)刮(gua)毛及(ji)消毒處理;
3、使用(yong)適當(dang)大小(xiao)的注射器及針(zhen)(zhen)頭,以避免觸碰到坐骨神經的方式入針(zhen)(zhen),將病毒(du)載體注入右(you)脛前肌;
4、將針頭(tou)緩慢(man)抽出,輕(qing)輕(qing)施加壓(ya)力以防止回流;
5、將(jiang)小(xiao)鼠(shu)放在加熱墊上直(zhi)至恢(hui)復,然后(hou)放回籠中飼養觀察,注射病(bing)毒4周后(hou)可檢測轉(zhuan)基因(yin)的表(biao)達。

小鼠肌肉注射示意(yi)圖

(//www.theodora.com/rodent_laboratory/injections.html)


四、不同注射方式的AAV給藥劑量

注射
方式

推薦(jian)
劑量

推薦(jian)注(zhu)射體(ti)積

推薦
血(xue)清(qing)型(xing)

實驗
動物

靜脈
注射

1×1012~

1×1014

vg/kg

200μl病毒(du)稀釋液

AAV6-
AAV9

成(cheng)年
小(xiao)鼠(shu)

肌肉
注射

5×108~

5×1010

vg/site

脛前肌/腓腸肌:
20~25μL

股(gu)四頭肌:
50~100μL

AAV1/2/
6/7/8/9

成年
小鼠

心包內注射(針(zhen)對(dui)心肌)

2.5x109~

2.5x1011

vg

50μL

AAV8
AAV9

新生
小鼠

左心室壁注射(針對心肌)

5x1010~

5x1011

vg/rat

不超過(guo)250μL,
50μL/次(ci)

(總量超過(guo)250μL可能會導(dao)致心(xin)臟(zang)損傷或者死亡)

AAV9

成(cheng)年
大鼠

注:選擇的血(xue)清型(xing)和載體的濃度決定了每種(zhong)注射方式的給藥劑量,具(ju)體實驗時應綜合考慮各種(zhong)因素。



五、參考文(wen)獻
1、Wang D, et al.The potential of adeno-associated viral vectors for gene delivery to muscle tissue. Expert Opin Drug Deliv. 2014 Mar;11(3):345-364.
2、Qiao C, et al.Gene therapy in skeletal muscle mediated by adeno-associated virus vectors. Methods Mol Biol. 2011;807:119-40.
3、Katwal AB, et al. Adeno-associated virus serotype 9 efficiently targets ischemic skeletal muscle following systemic delivery. Gene Ther. 2013 Sep;20(9):930-8.
4、Arnett AL, et al.Heparin-binding correlates with increased efficiency of AAV1- and AAV6-mediated transduction of striated muscle, but negatively impacts CNS transduction. Gene Ther. 2013 May;20(5):497-503.
5、Gruntman AM, et al.Gene transfer in skeletal and cardiac muscle using recombinant adeno-associated virus. Curr Protoc Microbiol. 2013;Chapter 14:Unit 14D.3.
6、Kwong JQ, et al.The mitochondrial calcium uniporter underlies metabolic fuel preference in skeletal muscle. JCI Insight. 2018 Nov 15;3(22):e121689.
7、Wu Y, et al.Endothelium-targeted delivery of PPARδ by adeno-associated virus serotype 1 ameliorates vascular injury induced by hindlimb ischemia in obese mice. Biomed Pharmacother. 2022 Jul;151:113172.
8、Witcher PC, et al.Expression of Myomaker and Myomerger in myofibers causes muscle pathology. Skelet Muscle. 2023 May 1;13(1):8.
9、Mohammadsharif Tabebordbar,et al.Directed evolution of a family of AAV capsid variants enabling potent muscle-directed gene delivery across species .Cell.2021











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