基因治疗病毒载体制备及纯化策略

基因治疗(gene therapy)是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，以达到治疗目的。也包括转基因等方面的技术应用。也就是将外源基因通过基因转移技术将其插入病人的适当的受体细胞中，使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。从广义说，基因治疗还可包括从DNA水平采取的治疗某些疾病的措施和新技术。2017年10月19日，美国政府批准第二种基于改造患者自身免疫细胞的疗法(yescarta基因疗法)治疗特定淋巴癌患者。(选自搜狗百科)

基因治疗病毒载体

近20年来，只有少数几种病毒如反转录病毒(包括HIV病毒)、腺病毒、腺病毒伴随病毒、疱疹病毒(包括单纯疱疹病毒、痘苗病毒及EB病毒)、甲病毒等被成功地改造成为基因转移载体并开展了不同程度的应用。

注：图片选自知乎

逆转录病毒(retrovirus vectors，RVJ载体 

逆转录病毒载体基因转移系统包括两部分：一部分是用外源基因替换病毒结构基因的逆转录病毒载体;另一部分是包装细胞的基因组DNA中整合了逆转录病毒结构基因。到目前为止，RV载体是基因治疗临床试验使用最多的载体，较常用的是基于moloney鼠白血病病毒(MMLV)改造而来的各种Rv载体。RV载体具有基因表达持久而稳定、转染效率较高等优点，但只能感染分裂期细胞，载体容量<8kb，与宿主细胞基因组的随机整合可引起基因突变及产生可复制的野生型病毒等危险故需要进一步的改造完善。

腺病毒(adenovirus，AV)载体 

腺病毒载体自1993年首次被应用于临床试验以来，迄今为止大约有40%基因治疗临床试验方案采用腺病毒为载体，仅次于RV载体_3 J。至今AV载体已经发展了4代，第2、3代腺病毒去除EI、E2和E4编码序列，与第一代相比，有更低的免疫原性和更大的载体容量。第四代腺病毒仅含有反向末端重复序列(1TRs)和包装信号，载体容量达37kb，进一步降低了免疫原性，被称为“高容量”载体。AV载体具有宿主范围广、基因转移效率高、对非分裂细胞也有感染性、比较容易制备和操作、理化性质稳定、遗传毒性较低及比较安全等优点。

腺相关病毒(adeno-associated virus，AVV)载体 

腺病毒相关病毒(AAv)是一种缺陷型的单链DNA病毒，只有在辅助病毒如腺病毒、单纯疱疹病毒、痘苗病毒等存在的情况下，才能进行最佳复制，产生新的病毒颗粒，否则只能进行潜伏感染。从v载体既可以转染分裂细胞又可以转染非分裂细胞，在宿主体内以定向整合的方式存在，70% 以上的整合位点位于第19号染色体q13.3-qter区，且对人体无致病性，故AAv重组体在细胞内能长期稳定地表达，还可避免随机整合可能引起的抑癌基因失活和原癌基因激活的危险，且在体内不引起明显的病理变化，表明AAV是一种很有前途的基因治疗载体_9j。AAv载体在多种组织已进行了成功的转染，如肝、脑、心肌、骨骼肌、视网膜和呼吸道上皮等组织，未发现对机体有致病性。

慢病毒(1eraivlrus)载体 

慢病毒属逆转录病毒科，为二倍体RNA病毒，分为灵长类病毒如人类免疫缺陷病毒一1(HIV-1)、猴免疫缺陷病毒(SIV)和非灵长类病毒如马传染性贫血病毒(EIAV)，但它与逆转录病毒不同，能感染非分裂细胞。

单纯疱疹病毒(herpes si卫叩Iex virus，I-ISV)载体 

单纯疱疹病毒是一种双链DNA病毒，作为基因治疗载体具有以下优点：①容纳外源基因的长度达4o～50I，是目前容量最大的病毒载体。② 具嗜神经性，可在神经元中建立终生潜伏性感染，非常适用于神经系统疾病如帕金森病、Azheimer病等。③滴度高。④可感染分裂期和非分裂期细胞。

基因治疗病毒载量的制备

注：图片选自互联网

将外源基因包装到病毒壳粒中，是病毒载体生产的核心技术。一般地，病毒载体的制备包括以下要素：

宿主细胞

虽然现在已有可能对有些病毒载体(如AAV载体)进行体外(无细胞)包装(Zhou XH et al . 1998; Ding L et al. 1997)，但是这种包装系统仍然需要细胞提取物，并且包装效率相当低，远远达不到可生产水平。

至今为止，病毒载体的包装主要是在对该病毒敏感的宿主细胞中进行的。宿主细胞不但提供了病毒复制和包装的环境条件，许多细胞成分还直接参与了病毒复制和包装的过程。

病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒 一般地，病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒由细菌质粒携带，组成病毒载体质粒，是被包装的对象。由于病毒复制方式的不同，有些病毒载体如单纯疱疹病毒扩增子(HSV amplicon)载体在包装时，整个载体质粒都被包装进入病毒颗粒中;而有些病毒载体如反转录病毒、腺病毒伴随病毒载体的质粒骨架部分并不被包装到病毒颗粒中，只有病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因表达盒被包装到病毒颗粒中。

构建重组型病毒载体时，病毒复制和包装所需的顺式作用元件存在于病毒基因组中(病毒基因组可以由具有感染性的病毒颗粒提供，也可以质粒形式提供)。先将外源基因表达盒插入穿梭质粒携带的病毒同源序列中;将重组穿梭质粒转染至细胞中，再用辅助病毒超感染;或将重组穿梭质粒与病毒基因组质粒共转染细胞;重组质粒与病毒基因组在细胞中进行同源重组而产生表达外源基因的重组病毒。重组腺病毒(Graham FL and Prevec L 1995)和重组单纯疱疹病毒(Pyles RB et al. 1997;Kramm CM et al. 1997)的传统制备方法都是采用这种方式。 为了使病毒载体的生产更为方便，病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒除了可以用质粒携带以外，也可以用另一种病毒(往往是辅助病毒)或生产细胞来携带。

辅助元件

包括病毒复制和包装所必需的所有反式作用元件。这些元件一般包括病毒基因转录调控基因、病毒DNA合成和包装所需的各种酶类的基因、病毒的外壳蛋白基因等。

辅助元件的表现形式可以多种多样。常用的形式有：

① 辅助质粒(helper plasmid)，如用于产生重组腺病毒的质粒JM17，用于重组AAV包装的辅助质粒pAAV/Ad(Rolling F and Samulski J 1995)等;

② 辅助病毒(helper virus)，如用于HSV 扩增子载体包装的辅助病毒HSV1 tsK株;

③ 包装细胞系如用于反转录病毒载体包装的PA317细胞。

这些表现形式之间可以相互转化或合并。例如，辅助病毒可以转化为辅助质粒：传统的AAV载体生产系统常用腺病毒作为辅助病毒。研究发现，并非腺病毒的所有基因对AAV病毒的产生都是必需的，只需要腺病毒E1a, E1b, E2a, E4和VA RNA 5种基因就行了。因此，将这5种基因置于同一个质粒中，构建成的这种新的辅助质粒就完全可以替代原来的辅助病毒(Xiao X et al. 1998; Grimm D et al. 1998 )，不但提高了包装效率，而且避免了产品中腺病毒污染的问题。

上述几种要素的不同组合，便产生了各种各样的病毒载体包装策略。根据病毒载体生产系统的组成因素的多少，可将其分成以下几种：

单组成因素生产系统(one-component system)：

所有的组成成分都集中在生产细胞中。经典的反转录病毒生产系统就是由产病毒细胞(VPC)组成，重组反转录病毒由VPC细胞不断分泌至培养上清中。这种生产系统操作最为简单，但是往往产量不高或不稳定。采用这种策略，需要将重组病毒产生所需要的所有元件都稳定地置于生产细胞中。由于许多病毒基因产物本身对细胞有破坏作用或不能在细胞中稳定表达，因此这种策略在许多病毒载体的生产中难以实施。

双组成因素生产系统(two-component system) 这种生产系统一般由"一株病毒/一株细胞"组成。典型的例子是重组腺病毒生产系统。先用共转染的方法获得重组腺病毒毒种，再由该毒种和生产细胞(如293细胞)组成一个双组成因素的生产系统使病毒大量扩增。 多组成因素生产系统(multi-component system) 是由两种以上的组成因素组成的生产系统。传统的AAV载体生产系统就是由载体质粒，辅助质粒，辅助病毒和生产细胞4种因素组成。这种策略的缺点是影响因素多，操作复杂，产量不容易稳定，不利于大规模生产。

以上各种生产系统也可以相互转化。我们实验室通过将上述AAV载体生产系统的4种因素进行两两合并，即将辅助质粒和辅助病毒合并成一种重组的辅助病毒，将载体质粒和生产细胞合并成AAV前病毒细胞株，成功地将其转化成一种双组成因素的新型高效生产系统(伍志坚等，1999)。

一般来说，发展新的包装策略主要是为了以下几种目的： (1) 减少生产系统中的组成因素，简化操作过程;

(2)提高生产效率，降低生产成本;

(3)避免或降低野生型病毒的产生;

(4)避免使用难以与产品病毒分离的辅助病毒。