试想未来的一个治疗场景：非酒精性脂肪肝慢性疾病患者每天只需要通过特制电子烟或专用雾化器定时定量吸入香气分子，就可以在体内长期表达治疗蛋白，而避免了传统的注射或口服药物的治疗方式，治疗过程变得轻松无痛且依从性高。这样的场景如今已不再是设想，科学家们已在小鼠体内成功实现该设想。

华东师范大学生命科学学院、生命医学研究所叶海峰研究团队成功开发了“香气分子”麝香酮（muscone）调控的基因表达精准控制系统，并将其装载在腺相关病毒AAV基因治疗载体中（命名为AAV_MUSE），实现无针无痛、患者依从性高的可控式基因疗法。这一创新成果“AAV-delivered muscone-induced transgene system for treating chronic diseases in mice via inhalation”于2024年2月6日发表在国际期刊 Nature Communications。

Nature Communications 刊登叶海峰团队研究成果

叶海峰研究团队一直致力于开发绿色天然适用于临床使用的小分子调控的基因控制开关，克服传统化学小分子如抗生素、食品添加剂带来的潜在安全问题。2019年课题组开发了原儿茶酸调控的基因控制开关，通过“喝绿茶”的方式调控胰岛素表达，用于治疗糖尿病（Yin et al., Science Translational Medicine, 2019）；2021年开发了白藜芦醇调控的基因控制开关，通过“喝红酒”的方式调控CAR-T细胞活性，用于可控肿瘤免疫治疗（Yang et al., PNAS, 2021）。

如今受中国千年香道文化的启发，基于中药材麝香的主要活性成分---麝香酮（muscone）具有迷人的香气和挥发性的特点，利用合成生物学的理念，创造性地开发出“闻香”控制的人工基因线路开关。据叶海峰研究团队介绍：我们会利用临床批准的病毒系统AAV提前将“基因开关”导入体内，通过“闻香”这种便捷的方式远程打开体内的“基因开关”表达治疗蛋白。这项技术在治疗慢性疾病（如非酒精性脂肪肝病和过敏性哮喘）方面显示出潜力，为未来人类疾病的治疗提供了一种新颖而精准治疗策略。

该设计图主要描绘了AAV_MUSE介导的“闻香”疗法用于慢性疾病的治疗。AAV_MUSE经不同血清型病毒载体递送至小鼠不同部位后，在体内组装成完整的基因开关，小鼠闻香之后，诱导表达不同的治疗蛋白。

麝香酮“开关”如何实现“闻香治病”？

芳香疗法在日常生活中常用于心理疾病治疗，通过吸入芳香精油，能够缓解压力，舒缓心情，研究者试想能否将该“闻香疗法”应用于慢性疾病中？麝香酮是中药材麝香的主要活性成分，是一种具有挥发性和香气的临床药物，已被国家批准用于食品、药品、以及香水中。鉴于麝香酮的安全性、挥发性，研究人员基于感应麝香酮的小鼠嗅觉受体MOR215-1和合成的cAMP响应的启动子（P_CRE），在体外成功构建了低背景、高诱导的麝香酮调控的基因环路（muscone-regulated gene circuit, MUSE）。当麝香酮与G蛋白偶联受体MOR215-1结合后，激活胞内的cAMP信号通路，随后使得响应cAMP的结合蛋白1（cyclic-AMP response binding protein, CREB1）磷酸化后结合到P_CRE启动子上，进而启动目的基因表达（图1）。体外验证结果显示，麝香酮与细胞在没有直接接触的情况下，麝香酮自身的挥发性，可以实现远程调控基因的表达。

图1. MUSE的工作原理图

为AAV介导的基因治疗装上“按开关的手”

基因治疗载体腺相关病毒AAV已被美国食品和药物管理局（FDA）批准为临床基因治疗载体，该载体安全性高，免疫原性低，体内存留时间长，血清型多，且具有组织特异性。据统计，截止到2018年，世界范围内已完成或正在进行的AAV基因药物临床试验已有145项，在脑部疾病、眼部疾病以及血友病中具有良好应用前景。但是AAV递送的基因会持续过量表达，产生毒副作用，基于上述问题，我们试图将可控式基因环路与基因治疗相结合，以实现精准基因治疗的设想。

因此我们将麝香酮调控基因环路装载在AAV病毒载体中，设计构建了AAV介导的麝香酮调控的基因环路（AAV_MUSE），利用AAV的多器官靶向性将该环路转导至肝脏或肺部，通过定期“闻香”实现长期精准控制蛋白药物的表达释放（图2）。

图2. MUSE经AAV病毒载体递送至小鼠体内可实现长期调控基因表达效果

AAV_MUSE在非酒精性脂肪性肝炎以及过敏性哮喘模型中的治疗

目前慢性疾病的治疗通常需要反复注射或口服药物，这导致患者的依从性差，且药物毒副作用大，迫切需要开发安全可靠以及患者依从性高的治疗策略。研究者将AAV_MUSE应用于非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）和过敏性哮喘（allergicasthma）疾病的治疗中。实验结果显示，在非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）模型小鼠中，AAV_MUSE经AAV2/9递送至肝组织后能够精准调控ΔhFGF21产生，并实现长达28周的治疗；在过敏性哮喘模型小鼠中，AAV_MUSE经AAV2/6和AAV2/lung联合递送至肺组织后能够精准控制ΔmIL-4产生,成功预防该疾病发展。仅注射一次AAV_MUSE，而后通过定时定量吸入麝香酮即可原位精准、持续地诱导治疗蛋白表达，达到“闻香”治疗慢性疾病的目的（图3）。

图3. 麝香酮调控系统在慢性疾病治疗中的应用

综上，该研究中所构建的芳香小分子麝香酮调控基因环路可实现远程诱导、高效精准调控基因表达，为合成生物学提供了新的调控工具，也为可控性的基因治疗研究提供了新方法，有助于推动基因疗法在精准医学中的应用。这项研究开发的“闻香”基因疗法也为慢性疾病提供了一种无创无痛的治疗方式，为未来开发更有效、更安全、更精准的个性化疾病治疗方法提供了新思路。

左：论文第一作者武鑫博士，右：论文通讯作者叶海峰研究员

华东师大生命科学学院2023届博士毕业生武鑫、2020届博士毕业生于袁欢（现在校团委工作）、副研究员王美艳（现为上海大学教授）为该论文的共同第一作者，叶海峰教授为该论文的通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委的支持。

附：

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45383-z

新闻来源：

华东师范大学官网：

“闻香治病”：华东师大科研团队开发“闻香”调控的基因治疗