Cell綜述深度解讀!線粒體疾病療法開發的前景!

2020年4月21日 訊 /生物谷BIOON/ --線粒體疾病是由細胞核或線粒體基因組中廣泛的基因突變所誘發的一種異質性疾病，目前治療該病的療法主要集中於對症治療而並非改善由特定基因突變所引發的生化缺陷；日前，一篇發表在Cell雜誌上題為「Mitochondrial Diseases： Hope for the Future」的綜述文章中，來自紐卡斯爾大學等機構的科學家們通過研究論述了線粒體疾病的療法進展（小分子和基因療法），以及有效預防線粒體疾病通過生殖細胞遺傳的方法的進展情況。

圖片來源：Oliver M. Russell, et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051

線粒體疾病是一組複雜的代謝性障礙，其主要是由遺傳缺陷影響線粒體的氧化磷酸化所導致的，不管是從臨床還是從治療的角度來講，臨床研究人員治療這種疾病面臨著一定的挑戰，文章中，研究人員從以下方面對線粒體疾病的療法及預防手段進行了分析論述，包括當前線粒體疾病療法所面臨的挑戰、小分子藥物療法的開發、誘導線粒體翻轉、代謝重編程、調節活性氧和氧化性壓力的產生、恢復mtDNA（線粒體DNA）的動態平衡、控制線粒體的基因組、線粒體疾病傳播的預防，

線粒體疾病療法開發所面臨的挑戰

線粒體疾病是最常見的遺傳決定的代謝性疾病之一，氧化磷酸化（細胞中ATP產生的主要來源）一般發生在線粒體內膜上，在該過程中有5種複合體會發揮作用，其中3種複合體會將質子泵入線粒體膜間空間中（即複合體I、III和IV），而複合體V則能利用電化學梯度將ADP和Pi合成ATP，然而，氧化磷酸化依賴於多種其它通路來有效發揮作用，同時其也會受到多種遺傳缺陷的影響，線粒體疾病是人類唯一的由兩種基因組參與的疾病，mtDNA（線粒體DNA）是一種小型的環狀基因組，其能編碼13個線粒體蛋白（氧化磷酸化系統的所有組分）、22個mt-tRNAs和2個mt-rRNAs；然而，絕大多數線粒體蛋白（大約1200個胺基酸）都是核編碼後被運輸到線粒體中，並非所有核線粒體蛋白都會參與到氧化磷酸化過程中，但許多會參與到氧化磷酸化複合體的組裝、mtDNA的複製、表達和修復及其它的代謝通路過程中去。

mtDNA的遺傳特性是非常複雜的，因為每個細胞中都會有多個mtDNA的拷貝，mtDNA的突變可以是同質的（基本上所有的mtDNA都會受到影響），也可以是異質的（混合了突變和野生型的mtDNA）。mtDNA的突變在功能上是隱形的，因此即使存在突變的mtDNA，也只有在突變的mtDNA水平達到臨界閾值時才能夠觀察到生化表型。mtDNA存在大量的大規模缺失和點突變，而其生化缺陷的閾值因每個突變和細胞類型而異，甚至同一突變在不同患者中也可能會表現不同；然而有害的生化表型在單細胞水平表達之前，致病性突變通常需要達到較高的異質性（大約70%），在明顯相似的異質性水平下，在攜帶相同mtDNA突變的患者中也會發生顯著差異的臨床表型，這方面一個很好的例子就是m.3243A > G疾病，這是一種存在明顯表型變異的疾病，其可能會反映影響疾病表達核遺傳因素。

研究者表示，為許多病人建立一種遺傳診斷還是非常具有挑戰性的，尤其是那些攜帶核基因突變的患者，然而，隨著新一代測序技術的出現，如今研究人員就會發現影響線粒體氧化磷酸化的新型遺傳缺陷，截至目前為止，研究人員已經在300多個基因中發現了致病性的突變，而識別特異性的缺陷是非常重要的，因為其不僅能幫助揭示特定患者機體發病的分子機制，還能凸顯出此前並未考慮的患者特殊樣本在開發新型治療方法上的潛在重要性。

由於線粒體疾病可變的臨床特徵、基因型-表型的異質性和轉診護理途徑的複雜特性，確定線粒體疾病的發病和流行一直以來對於研究人員而言都是一大挑戰；多項研究表明，核遺傳缺陷是兒童線粒體疾病的主要發病原因，即mtDNA的突變在成年人體內更為普遍一些；對於兒童中好發的線粒體疾病而言（小於16歲），估計每10萬人中有5-15個不等，而對於成年人而言，mtDNA突變的疾病的流行率則為每10萬人中9.6人，另外還有10.8人存在風險，因為一級親屬會受到影響，而在核遺傳原因方面，人群中的流行率大約為每10萬人中2.9人。

臨床挑戰

目前線粒體疾病治療方面所面臨的主要挑戰之一就是在線粒體疾病患者中所發現的表型-基因型關係存在差異（不一致），這不僅反應在不同的器官中，還反應在疾病嚴重性上；兒童可能會受到諸如萊氏綜合症（Leigh’s syndrome）等嚴重神經變性疾病的影響，但即使是這種疾病，其預後也會因背後遺傳缺陷不同而存在明顯的差異；成年人發病一般並不是很嚴重，比如慢性進行性眼外肌麻痺（chronic progressive external ophthalmoplegia）等疾病。

儘管這篇綜述重點分析了特定療法的開發，但更重要的是，我們需要認識到，線粒體疾病患者需要對症治療，這或許才能改善患者的生活質量並可能增加其預期壽命，這些療法通常是器官特異性的，比如治療線粒體癲癇的抗驚厥藥、治療糖尿病的胰島素或降糖藥、或使用心臟起搏器或植入式電子設備治療心臟傳導障礙等，目前有一些研究人員提出的指導方針，但在尋求更好治療手段的同時，對患者進行對症治療也是至關重要的。

圖片來源：Oliver M. Russell, et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051

小分子藥物療法的開發

小分子藥物的尋找是開發線粒體疾病療法的關鍵步驟，近來，多家生物技術公司就致力於發現或改進線粒體疾病的療法，這主要得到了監管和財政激勵措施的推動，旨在刺激孤兒藥的開發以用來治療諸如線粒體疾病等多種疾病。雖然與其它神經性疾病相比而言，線粒體疾病較為罕見，但調節線粒體的功能在降低其它疾病的發病上也扮演著非常關鍵的角色，比如阿爾茲海默病、帕金森疾病等；的確，諸如肥胖、糖尿病和非酒精性脂肪肝等代謝症候群或許就能夠展現出線粒體疾病修飾劑的靶點；儘管研究人員討論的小分子的設計是用來改善原發性線粒體疾病的，但其應用或許並不會局限於這些疾病，其應該更廣泛用於治療線粒體所參與的多種疾病的發生。

迄今為止，線粒體疾病的治療策略主要是以症狀為基礎，主要側重於因患者機體生理性壓力（比如脫水、發燒、手術和敗血症等）引起的急性代謝失常症發作期間的恢復期或預防性策略；雖然目前已經列出了超過50項臨床試驗，其目的主要是針對治療線粒體疾病的藥物，但大多數的藥理性策略的證據仍然主要是道聽途說的，目前僅有一種名為艾地苯(Idebenone)的藥物能夠提供充足的科學證據，而且其也是FDA/EMA批准的用於治療線粒體疾病的藥物，主要是用來治療Leber遺傳性視神經病變患者的急性視覺損失。

在過去10年裡，研究人員在線粒體疾病研究方面取得了長足的進步，無論是我們對線粒體生物學特性的基本理解上，還是我們識別大部分患者機體遺傳缺陷上；目前治療線粒體疾病患者的臨床需求並未得到滿足，這就激起了學術界和商業上對開發新型療法的興趣，同時也讓科學家們意識到，線粒體或許參與到了多種疾病的發病過程中，而利用患者或遺傳修飾細胞系來進行分子和遺傳篩查或許就有望幫助研究人員識別出更多藥物靶點。比如，並沒有人會預料到相對缺氧狀況在治療氧化磷酸化障礙上具有一定的潛在價值，而新藥物的開發是一個非常漫長的過程，利用能對線粒體功能產生積極影響的重新定向藥物或許在治療線粒體疾病患者上能發揮一定的治療潛力。

近25年來科學家們一直在考慮利用某種形式的基因療法來糾正異質性的mtDNA障礙，如今這種策略越來越接近於臨床試驗了，日前研究人員就利用兩種不同的技術改變mt-tRNAAla小鼠模型機體中的異質性水平；儘管科學家們還要面臨更多障礙，但當前的研究結果讓人非常受鼓舞，而在其它領域中基因療法的進展或許也能夠糾正誘發疾病的基因缺陷，當與諸如IVF等技術聯合使用時或許就有望預防mtDNA突變傳播給下一代，從而給後代疾病的治療帶來一定的希望。

在新型療法的開發過程中，最重要的就是進行有意義臨床試驗的能力，此前研究人員缺乏線粒體治療的臨床試驗數據，部分是因為原發性線粒體疾病的罕見特性，這或許也會影響臨床試驗成功進行、設計和基金支持，關於自然歷史（疾病症狀、異質性和發展）和潛在的疾病機制缺乏科學證據，除了缺乏有臨床和監管機構意義的、標準化的評估結果的措施外，在臨床試驗設計中，缺乏有意義的臨床和監管機構的標準化措施，已被公認為是指導臨床試驗設計的關鍵缺點。研究力量的缺乏（受樣本尺寸有限和治療效果小的影響）、可變終點的選擇（單一主要的、多重或綜合性的）、統計學顯著性和臨床有意義的結果之間的二分法，以及缺乏成熟的生物標誌物來替代臨床有效性終點，也會影響高質量臨床試驗的能力，而針對上述幾個缺點的變革性方法，目前正在試驗中進行實施。

研究人員相信，在未來10年內，線粒體疾病療法的開發將會取得重大突破，研究人員將會通過基因療法的進一步進展和篩選方法的開發來發現能改善細胞線粒體功能的新型小分子物質；這些進展與創新性的臨床試驗設計方法（包括開發可穿戴的技術及虛擬控制技術）聯合使用或將預示著未來線粒體疾病患者創新性的個體化療法時代的真正到來。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

Oliver M. Russell, Gráinne S. Gorman, Robert N. Lightowlers, et al. Mitochondrial Diseases: Hope for the Future, Cell, 2 April 2020, Pages 168-188, doi:10.1016/j.cell.2020.02.051