光遺傳學改造蛋白幫助盲人重見光明

編譯 米斛

巴黎的某處白色房間內擺著一張白色的桌子，旁邊坐著一位男性，頭戴VR設備一樣的耳麥。他伸出右手，把手指放在一本黑色筆記本上。他自信地做出這一簡單卻意義非凡的動作，而在此之前他已失明40年有余了。

當前這一臨床試驗的特別之處在于科學家將基因注射入他的一只眼睛內，誘導視網膜上的神經元產生一種感光蛋白，而這種感光蛋白通常存在于黏糊糊的綠藻體內。科學家讓他佩戴上特制的護目鏡，并在護目鏡上映射出他周圍環境的視頻圖像。這些視頻圖像作為光刺激投影在他位于視網膜上的經治療后對光敏感的神經元上，成功激發了這些神經元，而從神經元傳出的信號通過視神經抵達大腦的視覺處理中心。他曾因一種遺傳疾病“視網膜色素沉著”失去了光感受器很久，而目前在他的眼內，經基因編輯的神經元已經替代了原有的光感受器。

此人已經能夠辨識實驗室和外部世界中的物體，這一進展刊登在《自然-醫學》雜志上，盡管他還不能看到顏色和具體細節。這是光遺傳學成功恢復一位失明患者部分視力的第一個記錄。

何塞-阿蘭·薩赫勒（José-Alain Sahel）說：“這是一個重要的里程碑。”他來自法國皮茨堡大學和索邦大學，是該實驗的領導者，同時也是一名眼科醫生。

早在2010年，阿蘭和他的同事們就在瑞士巴塞爾開始了運用光遺傳學治療視網膜色素沉著的實驗，并進行了小鼠實驗。幾年后，他們共同創建了眼科疾病基因療法公司來進一步發展治療方法并進行臨床試驗。2018年，他們開始在巴黎、倫敦、皮茨堡招募患者進行I期臨床試驗，而前文提到的那位患者則是該試驗的第一位參與者。薩赫勒說：“這一成果是我們過往13年間進行的大量工作的體現，同時能夠成為第一個展示光遺傳學技術功效的人也讓我們感到十分興奮。”

視網膜色素沉著是一類進行性、遺傳性疾病的統稱。不同患者所攜帶的各種各樣的基因突變導致視網膜上視桿細胞和視錐細胞兩種感光細胞死亡，使患者最終失明。這一疾病影響著全世界超過200萬人，而對于其中大部分人來說這是一種不治之癥。

Luxturna是第一種被食品藥品管理局批準的用于治療眼病的基因療法。它利用一個病毒載體向細胞傳遞功能正常的RPE65基因。但僅有5%的視網膜色素沉著患者攜帶這一基因的突變。這導致大部分患者僅有一個選擇：創傷性植入一個微芯片到視網膜上。該裝置將裝在眼鏡上的攝像頭拍攝到的信號傳遞到芯片上，從而刺激尚連接著大腦的感光細胞。盡管這一療法在2013年被批準，這個被稱作阿古斯II的裝置僅能給予患者非常粗糙的視覺，截至2019年全球僅有350人植入了該裝置。

托德·達勒姆（Todd Durham）是一個患者宣傳組織“對抗失明基金會”的臨床和成果研究部門的副總管。他說：“當前視網膜色素沉著的患者感到希望渺茫。當這些人失去了視覺之后他們就會失去獨立生活的能力，并給自身身體和心理健康帶來負面效應。這些都對患者造成了一系列嚴重的影響。”

達勒姆表示，光遺傳學是一項重要的治療方法。與植入芯片和基因療法不同，光遺傳學有潛力幫助那些光感受器完全失去功能的患者。這項技術在2005年被發明，涉及將DNA導入神經元中從而使神經元能夠感受特定的光，以及將光投射在神經元上來激活它們。在實驗室的小鼠身上，科學家一般將光纖直接插入小鼠的大腦中來研究嗅覺識別，聽覺處理以及成癮等事項。

在這一實驗中，研究者將攜帶有光敏感離子通道蛋白ChrimsonR基因的腺病毒相關載體注射到一位58歲患者的一只眼睛內。琥珀色的光投射到這個蛋白上會使蛋白發生構象變化，使得離子流入或流出細胞。這個載體靶向視網膜神經節細胞。正常的神經節細胞負責收集視錐細胞和視桿細胞發出的信號并把這些信號傳遞到大腦的視覺皮層。即使這些患者的視網膜色素沉著病情十分嚴重，這些神經節細胞還是存活的，只是被閑置了，因為沒有任何信號進入這些細胞。科學家將ChrimsonR導入這些細胞，讓它們能夠自己感受光。

薩赫勒和他的同事們之前嘗試了另一個可以被藍綠光激活的蛋白。在小鼠體內，這個方案十分成功。但在可見光譜藍綠端的光能量很高，也因此這個蛋白在靈長類動物模型身上進行試驗時遇到了問題。

在正常的哺乳動物視網膜中，一個感光蛋白會通過級聯反應激活其他感光蛋白，從而實現信號擴增。正常視網膜中，激活一個蛋白能夠打開超過一百萬個離子通道。而在光遺傳學的理論中，一個蛋白只相當于一個離子通道，所以科學家需要通過其他方法擴增信號，例如提高進光量。這也就是為什么科學家給受試者戴上了護目鏡。但正如同我們不能直接盯著太陽看，太多的藍綠光會對殘余的細胞造成損害。科學家轉而使用琥珀色光激活ChrimsonR蛋白，從而成功地在有效性和安全性之間達到了理想的平衡。

“盡管這是前進的一小步，但正因為它證明了這個蛋白在人眼中能夠工作，我們確實邁出了這一步。”保羅·伯恩斯坦（Paul Bernstein）說。他是一位眼科醫生，同時也是猶他州立大學醫學院的視網膜專家，而他并未參與這項研究。

按計劃，這項實驗會逐漸提高劑量，而此次報道中的患者接受的是最低的劑量。這位患者最早在2020年2月就與另外兩位患者一起被報道第一次恢復了部分視力，當時正好是在新冠病毒導致世界運轉停擺之前。另一位接受基因療法治療的患者未能成功隨訪，也沒有進一步接受使用護目鏡的訓練和實驗室檢查。另外三位患者接受了中等劑量的基因療法，而還有三位患者準備稍后接受更高劑量的治療。

除了筆記本，第一位患者能夠定位其他物體并進行計數，例如杯子和一小瓶亮綠色的液體。物體越大，對比度越高，患者持續辨識它的能力越強。據報道，這位患者能夠在街上看見斑馬線，甚至數出白線的數量。在實驗室檢查過程中，研究者使用腦電圖來記錄該患者整個視覺皮層神經元的活動，并確認了ChrimsonR蛋白的激活將刺激傳遞到他的大腦中。

這幾位患者身上的變化都不是短時間內發生的。患者在被注射藥物后需要4到6個月來使蛋白表達提高到充足的水平，隨后還需要幾個月接受使用護目鏡的訓練，然后患者才能將光線直接對準視網膜上表達這種蛋白的細胞。如果需要定位物體，患者需要運動整個頭部來前后掃描整片區域。患者能夠看到一個由黑白顆粒構成的世界。而如需閱讀或者認臉，則需要更高的分辨率，但當前光遺傳學暫時無法達到這一水平。

在過去的幾十年間，伯恩斯坦醫生只能告訴他的視網膜色素沉著患者們，當前對于這種疾病并沒有好的治療手段。而光遺傳學在治療視網膜色素沉著上取得的進步對于他來說是一個讓人期待的發展。伯恩斯坦醫生說：“這些正在發生的事情在我26年前剛開始行醫時看來像是科幻小說一般。”他希望看到更多其他參與該試驗的患者的數據。但至少報道中的這個患者其視力的改善傳遞出令人鼓舞的信號，讓人感到患有視網膜色素沉著的人們或許能夠有一天看到此前很長時間內看不到的世界。

伯恩斯坦說：“以前我們認為視網膜色素沉著患者的視力很難恢復，但這類高科技的手段讓我們大大接近了這一目標。這實在是太夢幻了！”

除了眼科疾病基因療法公司的研究，現在還有兩個其他的臨床試驗正在測試光遺傳學治療進展性視網膜疾病的效果。第一個開始于2015年，其理論基于此前韋恩州立大學醫學院潘卓華所做的未被重視的研究。這項研究目前由從屬于艾伯維公司的艾爾建公司贊助。據報道，目前該研究已經成功進行了第一批患者的安全劑量測試，但尚未報道該療法對患者視力的影響。最近，仿生視覺公司基于康奈爾大學威爾醫學院希拉·尼倫伯格（Sheila Nirenberg）的實驗室研究開發的療法已經開始招募患者參與研究。該療法同眼科疾病基因療法公司一樣，結合了基因療法和一系列仿生護目鏡。

資料來源 STAT