基因载体：基因治疗关键就看它了！

出品：科普中国

制作：赵玉

监制：中国科学院计算机网络信息中心

基因治疗是一种新的治疗手段，可以治疗多种疾病，包括癌症、遗传性疾病、感染性疾病、心血管疾病和自身免疫性疾病。基因治疗是指将治疗基因导入靶细胞，治疗基因在细胞内表达为特定蛋白质，从而治疗因基因异常或缺陷而导致的疾病。基因治疗过程分为三部分：治疗基因的选择，治疗基因导入宿主细胞和治疗基因的表达。其中最关键的就是第二步——基因传递。很多实验证明游离的基因可以被内吞进细胞，但是这种方法的进程对于有效的生物效应来说太慢口。另外，游离的DNA或RNA对血清中核酸酶的消化作用非常敏感，易于被降解。因为胞内障碍和胞外障碍都会阻碍基因的传递，转录和表达，所以基因治疗需要一种合适的传递系统。因此，发展有效的基因载体对基因治疗很重要。

图1 基因治疗示意图

基因载体是将治疗用的外源基因导入到靶向细胞的运输工具，这一过程是基因治疗的最关键步骤。基因载体可分为两大类：病毒基因载体与非病毒基因载体。病毒本身具有侵染细胞的能力，将目的基因整合到病毒中，再被病毒携带进入细胞便完成了转染过程。最简单基因载体是用原核生物将质粒 DNA 带入宿主细胞。

病毒基因载体优点是转染效率高，生物相容性好，现阶段临床治疗多选用病毒载体。非病毒基因载体主要分为两类，聚合物基因载体和脂质体基因载体。聚合物基因载体利用阳离子聚合物表面所带正电荷与 DNA 络合后被细胞摄入，进而将治疗基因释放到细胞质中完成转染过程。聚合物基因载体可以通过分子设计，调控其分子量和分子结构，以实现不同的性能需求。脂质体是囊状结构，DNA 可以进入其内部亲水核心，当细胞吞噬囊泡时即实现 DNA 进入细胞的过程。与病毒载体相比，非病毒载体虽然转染效率较低，但其优点也较为显著：安全，不会产生排异反应，也不会通过生殖遗传给下一代。

图2腺病毒示意图

病毒基因载体主要有逆转录病毒载体，腺病毒，疱疹病毒，慢病毒属。逆转录病毒载体的分子序列已经被破解，因此它最早被用于基因治疗。逆转录病毒是双链。RNA 病毒，例如常用的鼠白血病病毒，它很适合于转录需要长期表达的外源基因。但它的缺点也很明显，在进入宿主细胞后，逆转录病毒可能会与宿主细胞产生不确定的基因整合，因而产生潜在的可能危及生命的不良影响。腺病毒的增殖能力使它在基因治疗领域很受欢迎。临床实验所用的腺病毒大多来自于腺病毒5型，其结构是外层的包膜和内层的双链DNA。虽然它可以感染大多数种类的细胞但它的缺点也很明显，那就是它不与宿主细胞整合，这导致了基因表达时间较短，而且腺病毒可能会引起很强的免疫反应。

疱疹病毒尺寸较大，在其生命周期中存在潜伏期，因此转染至宿主细胞中以后，也会存在潜伏期。疱疹病毒能大量增值，它们能搭载较大的外源基因，也可以转染未分化细胞。但由于其会表达出促细胞溶酶，导致宿主细胞死亡，因此其应用也受到限制。

慢病毒属是逆转录病毒的一种，多数起源于HIV病毒。不同于HIV病的是它能搭载外源基因，它可以转染未分化细胞。

非病毒基因载体主要分为两类，脂质体基因载体和聚合物基因载体：脂质体的结构类似于细胞膜，外部是磷脂双份子层，内部为水相的脂质微囊。治疗基因可被包裹在水相中，当脂质体被细胞吞噬后，随着脂质体磷脂分子层被破坏，治疗基因被释放到细胞内，完成转染过程。脂质体基因载体有许多优势，例如其靶向性，安全性，可包载多种基因及药物，这使脂质体在基因治疗方面获得人们极大关注。

图3聚合物基基因载体示意图

自1987 年脂质体被用作基因载体以来，研究者们合成了多种多样的脂质体及其复合物，使脂质体拥有了更好的性质，例如阳离子脂质体基因载体的成功制备大大提高了脂质体的转染效率，Gao等将聚赖氨酸或精蛋白等大分子量阳离子分子与脂质体联用，将转染效率提高了3-9倍。阳离子脂质体由于容易被血浆排除，并积累在肺部，因此可用于治疗肺内皮细胞的相关疾病。例如给肺癌病人施加p53凋亡基因治疗，可使肿瘤明显减小。

然而，脂质体基因载体也有它的不足之处，转染过程中，脂质体携带的DNA容易被细胞内酶降解破坏，严重影响基因表达效率，此外，脂质体基因治疗的有效治疗时间段，无法实现长效治疗。以往脂质体以其安全性为人熟知，然而最近研究表明，小鼠接受脂质体载体后肺部产生炎症，并伴随产生一些细胞因子，这这些细胞因子不仅会引起炎症，也会阻碍治疗基因的正常表达。因此，脂质体基因载体必须解决以上问题才有可能被广泛应用于临床实验。

聚合物基因载体的作用原理是利用聚合物上的正电荷与DNA所带负电荷发生静电作用而结合形成络合物，聚合物尤其是阳离子聚合物与 DNA 的相互作用力很强，二者形成的纳米颗粒可以被细胞吞噬，络合物在细胞内脱离内体后，经过细胞质的转移作用将治疗基因送入细胞核，完成转染过程。聚合物基因载体优势明显，第一，相较脂质体，聚合物基因载体转染能力更强，第二，由于与 DNA结合紧密，聚合物可保护 DNA 不被降解，第三，安全性，无免疫原性，不会引起急性排异反应，第四，可通过分子设计获得有特殊功能或优异性能的基因载体，例如增加靶向性，增强生物相容性等优异性质。

聚合物基因载体也存在许多问题，首先，阳离子聚合物可与带负电的细胞膜结合，虽然可增大细胞膜的通透性，便于细胞内吞，但其对细胞膜的破坏作用较大，即细胞毒性较大，其次，难降解聚合物释放 DNA 速度慢，使治疗周期加长，最需注意的是，聚合物很容易被血浆排除，生物体内应用较难。许多研究者基于聚合物载体的种种缺陷，从分子结构方面入手，设计合成了越来越多功能各异的聚合物载体，使得聚合物在基因治疗方面的应用前景备受瞩目。

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