「iPSC+奈米鑽石傳輸」突破現有遺傳性視網膜治療 邱士華團隊創新「組合式」CRISPR基因療法

2020/11/13
「iPSC+奈米鑽石傳輸」突破現有遺傳性視網膜治療 邱士華團隊創新「組合式」CRISPR基因療法
2020年諾貝爾化學獎,由發明CRISPR基因編輯技術的Jennifer Doudna與Emmanuelle Charpentier共同獲得;這項「自發現DNA結構後,基因工程領域最大的科學發現」,自

撰文/巫芝岳

2020年諾貝爾化學獎,由發明CRISPR基因編輯技術的Jennifer Doudna與Emmanuelle Charpentier共同獲得;這項「自發現DNA結構後,基因工程領域最大的科學發現」,自、2012年兩位科學家發表於期刊《Science》後,在生醫領域一躍而上。

然而,至今要將CRISPR技術用於人體治療疾病,成本仍相當高,且必須克服許多安全性問題,因此,這幾年來,科學家們無不卯足全力開發。

國內陽明大學也有支默默耕耘的團隊,他們結合國內開發的「奈米鑽石」藥物傳輸技術,以及再生醫學領域相當「夯」的誘導型多功能幹細胞(iPSC),讓CRISPR作為療法得以成真。

攜手UCLA iPSC+CRISPR+奈米鑽石」治遺傳性視網膜病變

由臺北榮總醫學研究部主任,也是眼科主治醫師的邱士華領軍,該團隊自2013年起,開始研發這項結合iPSC、奈米材料與CRISPR/Cas9技術,日前已成功在小鼠模型中治癒遺傳性視網膜病變——利伯氏先天性黑蒙症(Leber's congenital amaurosis, LCA)。

這篇與加州大學洛杉磯分校(UCLA)加州奈米技術研究院(CNSI)臺籍教授曾憲榮、Paul S. Weiss等專家共同合作的論文,在今年4月發表於《Advanced Science》期刊中。

邱士華的研究團隊,透過眼球玻璃體內注射兩劑超分子奈米粒子,其中一劑負載Cas9/gRNA基因質粒,一劑負載模板RS1基因質粒,成功地將長達3.0 kb的RS1基因敲入(knock-in)到小鼠視網膜細胞基因組的Rosa26安全位點。

這也突破了目前利用非病毒載體下,達到最長的體內基因knock-in紀錄。

較羅氏視網膜基因療法更簡單、恢復期更短

邱士華表示,目前科學界中,針對因基因突變所造成視網膜病變的療法開發進展仍很有限,如近期一項以腺相關病毒(AAV)為基因載體,攜帶正常RS1基因來治療先天性視網膜裂損症(X-Link Retinoschisis, XLRS)的臨床試驗,結果並不顯著。(編按:目前研究顯示,RS1基因的突變是造成XLRS的唯一原因。)

而第一項針對遺傳型視網膜病變治療藥物——羅氏旗下Spark Therapeutics所開發的基因療法Luxturna,在2017年獲美國食品藥物管理局(FDA)批准,也是利用AAV作為基因載體,治療RPE65基因突變的遺傳性失明。

「Luxturna必須以視網膜下注射的手術方式給藥,這項手術猶如眼科界的『開心手術』,做起來相當不容易,必須由經驗非常豐富的醫師執行。」邱士華直指,且視網膜下注射的術後恢復期相當長,病人可能兩週到一個月都無法正常生活。

另外,目前的基因療法,數年後可能需要再次投藥,如此反覆進行視網膜手術也會增加手術不成功的風險。

不過,邱士華團隊所開發的方式,是以玻璃體內注射進行,該方式類似現行黃斑部病變·手術,手術過程簡單很多。

能如此簡化手術的關鍵,正是他們以奈米鑽石取代AAV來進行基因遞送。注射後藥物會透過直徑小於5奈米的鑽石直接擴散,不但能帶來長效緩釋的效果,隨後這些奈米鑽石也可經由人體尿液系統代謝,安全性與生物相容性都較病毒載體來得更高。

該技術也是首次結合奈米材料、CRISPR基因編輯,在實驗小鼠活體內完成精準基因傳送的驗證。 

邱士華表示,這項技術目前正在申請國內外專利中,「這種新型藥物傳輸技術若成功,未來許多眼科藥物都能用這種方式給藥。」他說。

iPSC建立「類器官」篩藥平台

除了以上結合多種最新技術的「組合式創新」方法外,邱士華團隊所開發的iPSC平台,未來更有機會作為「篩藥平台」,提供精準醫學藥物研發之用,研究團隊成功利用XLRS患者的iPSC,建立出具有視網膜裂損病徵的3D類器官(organoid)平台。

邱士華說明,以iPSC方式分化建立出病人特有的疾病模式,對於這些基因相關疾病的研究相當重要;而這種「客製化」的類器官,更可以發展為一種篩藥平台,讓藥物研發的過程更精準、省時。

這項iPSC技術,也在2016年以「多功能植入視網膜生物支架系統(DFBMMS)─應用於黃斑部病變之視網膜移植修復」為題,獲第12屆國家新創獎肯定。

血液疾病基因療法 再登頂尖期刊

該平台技術完成小鼠試驗後,目前團隊也正在進行大型動物(豬)試驗,藉由實際以人類手術使用的器械測試,來進一步確認這項療法的安全性,同時建立真正的投藥模式。

除了視網膜病變外,團隊也以這套「新式基因精準編輯治療創新平台」開發出針對血液疾病的治療解方。

他們同樣透過高分子奈米粒子線及奈米探針,可攜帶CRISPR/Cas9載體到活體組織內,能夠高效率將完整的β-球蛋白基因(HBB)基因剪接進入血液細胞,提供了鐮刀型貧血、β-地中海貧血等血液基因病變新的治療曙光。相關論文也在10月23日登上頂尖期刊《Science Advances》。

邱士華表示,臺灣已經有很好的醫療平台了,但若要再更提升,他比喻:「就像要蓋101大樓時,地基一定要打得夠深,所以不管是基礎研究、轉譯醫學,甚至是國外連結,這都是舉足輕重的。」

「而除研發外,更重要的是要怎麼落實臨床。」邱士華強調,他們不但建立了前端的技術,也將實際在臨床上執行的手術方式一併建立,透過這樣的「組合式創新」,更能增加臺灣在國際上勝出的可能。