Ch.20 Gene Therapy 基因治療

一、概論：為何眼睛適合基因治療

Highlights（本章重點）

• Gene therapy（基因治療）是快速發展的領域，對進行性、嚴重影響視力的 inherited retinal diseases（IRDs，遺傳性視網膜疾病）具有很大的治療潛力。p.455
• 目前已核准（以及即將核准）的基因治療都以 IRDs 為標的；以 age-related macular degeneration（AMD，年齡相關性黃斑部病變）為對象的研究也正在進行中。p.455
• Gene augmentation therapy（基因增補治療）：在受影響的細胞或組織中，以正常、具功能的基因複本取代突變基因。p.455

眼睛作為基因治療標的的優勢

• 過去十年基因治療有重大進展，包括癌症、心臟病與糖尿病有前景的新療法；眼睛也是潛在標的，因為視網膜是 immune-privileged tissue（免疫赦免組織）、全身擴散風險低，且只需少量 vector（載體）即可達到治療反應。p.455
• IRDs 是一群罕見且多樣、造成進行性 photoreceptor（感光細胞）死亡與視力喪失的疾病；已在 300 個以上與疾病相關、且都對視網膜功能至關重要的基因中找到變異（mutations），因此被認為特別適合基因治療。p.455
• 目前受 IRDs 影響者：美國約 200,000 人、全球約 450 萬人。p.455

治療策略總覽

• 一般而言，基因治療的作法與應用，依所用的 nucleic acid（核酸）及其傳遞方式而不同。p.455
• IRDs：研究中的療法主要藉由導入正常基因或使致病基因失去作用來修改視網膜細胞的基因體（Table 20-1）。p.455
• Neovascular AMD（新生血管型 AMD）：研究中的基因治療則是用載體系統表現 antiangiogenic protein（抗血管新生蛋白），阻斷 vascular endothelial growth factor（VEGF，血管內皮生長因子）路徑（Table 20-2）。p.455
• 雖然已有 RNA 與 compound（化合物）療法，大多數基因治療（如 voretigene neparvovec-rzyl）是 DNA based；常見的 DNA 療法包括 gene augmentation、optogenetics（光遺傳學）與 genome editing（基因體編輯）（Fig 20-1 的三種類型）。p.455, p.457

二、Gene augmentation therapy（基因增補治療）

原理與適用遺傳型式

• Augmentation 是最直接的基因治療，常稱為 gene replacement therapy（基因替代治療）：把具功能、可編碼蛋白質的正常基因複本導入宿主細胞，以取代突變基因（Fig 20-1A）。p.456
• 導入的正常複本通常維持 episomal state（游離體狀態），由 promoter（啟動子）與 enhancer（增強子）促進其表現。p.456
• 主要用於 recessively inherited（隱性遺傳）視網膜疾病：這類疾病的 2 個突變 allele（對偶基因）都無法產生具功能的基因產物；送入正確的基因複本，可望恢復正常蛋白的製造、蓋過缺陷或缺少的蛋白，進而調整疾病表現型。p.456–457
• Autosomal dominant（體染色體顯性）IRDs 不適合基因替代治療：即使蛋白來自外源，突變基因產物仍會持續與正常蛋白功能交互作用或干擾。p.457
• 顯性疾病病人改用 gene editing（基因編輯）在 DNA 層次使突變蛋白失去作用或除去突變基因，提供較長期的治療（見第四節 Genome editing）。p.457

Vectors（載體）

• 基因增補治療可用多種治療載體把 DNA 送入宿主細胞，但最常用 adeno-associated viral（AAV，腺相關病毒）vector，原因是對視網膜細胞的 tropism（親和性）高、immunogenicity（免疫原性）低。p.457
• 研究中的其他載體：lentivirus（慢病毒）與 nanoparticle（奈米粒子），cargo capacity（承載量）較大，可容納較大的基因。p.457

眼內給藥途徑

出處 p.457

三、Voretigene neparvovec-rzyl 與 RPE65 相關視網膜病變

• 2017 年，US Food and Drug Administration（FDA，美國食品藥物管理局）核准第一個 in vivo（體內）基因替代治療 voretigene neparvovec-rzyl，用於 RPE65-related retinopathies（RPE65 相關視網膜病變）、且經確認兩個 allele 都有致病變異（biallelic）的病人⁠^{Q183 Q610}。p.457–458
• 這些病人通常為 autosomal recessive（體染色體隱性）的 Leber congenital amaurosis（LCA，Leber 先天性黑矇）或 retinitis pigmentosa（RP，視網膜色素病變），有進行性視力喪失，可能在幼兒早期就很嚴重⁠^{Q183 Q610}。p.458
• 作用：把編碼人類 RPE65 protein 的正常基因複本送到具生物活性 RPE65 蛋白量減少或缺乏者的視網膜細胞。p.458
• Phase 3 trial（第三期試驗）中，voretigene 基因替代治療不僅改善受試者在 dim light（昏暗光線）下的行動（navigate）能力，也改善 full-field light sensitivity threshold（全視野光敏感度閾值）與 visual field（視野）（Video 20-1 為 voretigene 基因替代手術）。p.458
• BCSC Section 2 記載 voretigene neparvovec-rzyl 即 AAV2-hRPE65v2，用於確認為 biallelic RPE65-mediated retinal dystrophy（即 LCA 與 RP）的病人；同冊另記載 RPE65 isomerohydrolase 是 FDA 核准治療的標的，該治療以 adeno-associated virus（腺相關病毒）載體把人類 RPE65 complementary DNA 送到部分類型（some forms）LCA 與 retinitis pigmentosa 病人的 RPE⁠^Q183。BCSC 2 p.206; BCSC 2 p.338
• Section 12 第 12 章：LCA 的 autosomal dominant 與 autosomal recessive 遺傳分別已連結到至少 3 個與 23 個基因；FDA 的核准是針對1 歲或以上的 RPE65-linked LCA 病人，為 FDA 首次核准的基因治療（voretigene neparvovec-rzyl，商品名 Luxturna，Spark Therapeutics）⁠^{Q183 Q610}。BCSC 12 p.297
• BCSC Section 6：LCA 是一群遺傳性（通常為 autosomal recessive）、同時侵犯 rod（桿細胞）與 cone（錐細胞）感光細胞的 retinal dystrophies（視網膜失養症）⁠^Q610。BCSC 6 p.352

收案考量與預後

• BCSC Section 6：較年幼的兒童通常有較多存活（viable）的視網膜，因此治療預後通常較好，所以及早找出受影響的病人很重要。BCSC 6 p.353
• BCSC Section 2：RPE65 變異只占 LCA 的一小部分，因此此療法並不適用於所有 LCA 病人；目前雙眼治療費用為 $850,000；針對 <3 歲幼兒的研究也在進行中。BCSC 2 p.206
• 本章 Optogenetics 一節：基因增補治療對已知基因型或早期 IRD 的病人是有吸引力的作法，但不適合感光細胞大多已喪失的較晚期病人（見第四節）。p.458

Phase 3 trial（第三期試驗）

• 收案對象為 31 名 ≥3 歲、具 biallelic RPE65 致病變異，且 best-corrected visual acuity（BCVA，最佳矯正視力）差於 20/60，和／或視野縮窄至距注視點 <20° 的病人；受試者以 2:1 隨機分配為雙眼治療（兩眼相隔 18 天）或對照組，對照組在第 1 年結束時若仍符合收案條件即可接受治療。試驗探討的是雙眼 subretinal（視網膜下）給藥。BCSC 6 p.354
• 主要終點是 multiluminance mobility testing（MLMT，多亮度行動測試）：在不同亮度下只靠視覺沿標記路徑行走並避開障礙物的能力；其他終點包括 full-field light sensitivity threshold testing（FST）、雙眼 BCVA、Goldmann visual field（GVF）與安全性。BCSC 6 p.354
• 結果：全部 20 名介入組受試者的 MLMT、FST 閾值與 GVF 相較對照組（延後介入組）都有顯著改善，延後介入組也見到類似的改善幅度；BCVA 則沒有統計上顯著的治療相關變化；安全性與 vitrectomy 及 subretinal injection 一致，未出現與注射／載體免疫反應相關的併發症。BCSC 6 p.354

四、Optogenetics（光遺傳學）與 genome editing（基因體編輯）

Optogenetics

• 基因增補治療對已知基因型或早期 IRD 的病人是有吸引力的作法，但不適合較晚期疾病，也就是感光細胞大多已喪失的病人。p.458
• 這些病人可改用 optogenetics：以基因方式把 light-sensitive proteins（光敏感蛋白）導入視網膜細胞，以監測或控制神經活動（Fig 20-1B：光刺激 → 視覺反應）。p.457–458
• 此策略常用來把 secondary or tertiary neurons（二級或三級神經元）轉變成「感光細胞」，或恢復退化中感光細胞的敏感度。p.458

Genome editing

• 另一種新興的 DNA 療法是以 CRISPR/Cas9 技術做基因編輯（Fig 20-1C）：clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats（CRISPR）與 CRISPR-associated（Cas）nuclease（核酸酶）結合，在 DNA 序列上造成受控或標的性的斷裂。p.457–458
• 此技術特別適用於治療 dominant（顯性）IRDs。p.458
• 臨床意義：顯性疾病病人以基因編輯在 DNA 層次使突變蛋白失去作用或除去突變基因，提供較長期的治療。p.457

三種 DNA 基因治療比較（Fig 20-1）

出處 p.456–458

五、進行中的基因治療試驗（Table 20-1、20-2）

Table 20-1：IRDs 的基因治療試驗

出處 p.456（資料取自 National Institutes of Health 的 Clinicaltrials.gov 網站，2020 年 7 月查閱）

• Table 20-1 中只有 retinoschisis（RS1）的試驗走 intravitreal 途徑；其餘疾病的試驗都是 subretinal 給藥。p.456
• Table 20-1 中以 lentivirus 傳遞的是 Stargardt disease（ABCA4）與 Usher syndrome 1B（MYO7A）；其餘為 AAV 載體。p.456

Table 20-2：AMD 的基因治療試驗

出處 p.456

六、目前限制

• 基因治療對視網膜疾病前景極大，但要廣泛應用前仍有許多挑戰需克服：p.458
• IRDs 罕見且具遺傳異質性。p.458
• 受影響基因很大，可能超過 AAV 載體的承載量。p.458
• 標的組織（如視網膜和／或 RPE）不易到達。p.458
• 缺乏長期安全性資料。p.458
• 費用（BCSC Section 2：voretigene 雙眼治療目前費用為 $850,000）。p.458; BCSC 2 p.206
• 儘管有這些障礙，未來數年視網膜基因治療試驗的數量預期會大幅增加。p.458