AAV在心血管疾病研究中的靶向策略

心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)又称循环系统疾病，主要包括心脏病和心脏的血管病两大类，其中临床表现为高血压、心绞痛、冠心病、心律失常和急性心肌梗死等。 调查数据显示2019 年间大约 1,790 万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的32％，已经成为全球第一杀手[1]，且患病人数不断持续增加。 随着生命科学技术的不断进步，基因治疗作为一种新兴的疗法在心脏疾病中展现了巨大的应用潜力，尤其是腺相关病毒（adeno-associated virus，AAV）具有安全性好、宿主细胞范围广、免疫源性低、在体内能长时间表达外源基因等特点，被广泛用于基因治疗的递送载体。 此外，AAV具有不同的血清型和启动子，针对不同的组织器官选择合适的血清型搭配特异性启动子，可进行靶向高效感染。今天小恒就和大家一起来学习一下AAV在心脏疾病研究中的优化策略。

1、AAV血清型的选择

不同的AAV血清型具有不同的衣壳蛋白空间结构，识别不同的细胞表面受体，表现为不同的组织亲嗜性。AAV1、AAV2、AAV6、AAV8和AAV9型等均被报道对心脏有较好的感染效率，目前靶向心肌使用最为广泛的是AAV9血清型。用不同血清型通过颈静脉注射感染一周龄小鼠，四周后通过活体成像和冰冻切片观察心肌感染情况，结果显示，AAV8和AAV9对心脏的感染效率均高于其他血清型，并且AAV9的扩散性高于AAV8。

图1 活体成像观察五种不同血清型感染小鼠心脏效率[2]

图2 活体成像观察五种不同血清型感染小鼠心脏效率[2]

2、启动子的选择

心脏由心肌细胞和非心肌细胞组成，非心肌细胞占总数的70%，其中90%以上的非心肌细胞由心肌成纤维细胞组成。高效靶向心肌细胞和心肌成纤维细胞对于心脏相关疾病的研究尤为重要。汉恒可提供cTNT、POSTN、COL2A1、TCF21四种靶向心脏的特异性启动子。

将带有CMV和cTNT的AAV病毒通过颈静脉注射感染一周龄小鼠，四周后通过活体成像观察心脏感染情况，结果显示，cTNT在心脏表达的特异性更强。

图3 CMV和cTNT在心脏表达的特异性比较[2]

此外，将带有EF1a和cTNT的AAV病毒通过心肌内注射感染8-10周龄小鼠，60天后通过冰冻切片观察感染效率，结果显示，cTNT在心脏中表达效果更好。

图4 EF1a和cTNT在心脏表达的特异性比较[3]

15周小鼠心梗造模2天后，将AAV-periostin(POSTN)-GFP病毒通过尾静脉注射体内，3周后取心脏组织观察荧光，结果显示GFP在活化的心肌成纤维细胞种表达。

图5 periostin(POSTN)-GFP在心脏中表达观察[4]

AAV-hTCF21-GFP病毒通过静脉注射4月龄小鼠，免疫荧光结果显示GFP在心脏成纤维细胞中表达。

图6 hTCF21-GFP在心脏成纤维中表达观察[5]

3、注射方式和注射剂量

AAV靶向心脏的递送方式主要包括系统性注射、原位注射和冠脉注射等，目前文献报道较多的是原位注射（心肌原位注射）和系统性注射（尾静脉注射）。

4、应用案例

案例一：

文章标题：CB1R-stabilized NLRP3 inflammasome drives antipsychotics cardiotoxicity

杂志：Signal Transduction and Targeted Therapy

IF：38

病毒工具：AAV9-EGFP和AAV9-CB1R

注射方式：原位注射心脏左心室3-5个位点，2×10^11 vg/小鼠

检测时间：6周

图7 AAV9原位注射感染心脏[6]

案例二：

文章标题：SUMO1 regulates post-infarct cardiac repair based on cellular heterogeneity

杂志：Journal of Pharmaceutical Analysis

IF：14

病毒工具：AAV9-CTnT-SUMO1-EGFP

注射方式：尾静脉注射，1×10^11 vg/小鼠，100 µl

检测时间：3周

图8 AAV9-CTnT尾静脉注射感染心脏[7]

案例三：

文章标题：N-glycosylation-mediated CD147 accumulation induces cardiac fibrosis in the diabetic heart through ALK5 activation

杂志：International Journal of Biological Sciences

IF：10

病毒工具：AAV9-cTNT-m-CD147和AAV9-cTNT-m-null

注射方式：心肌原位注射，1×10^11 vg/小鼠

检测时间：4周

图9 AAV9-CTnT原位注射感染心脏[8]

除本文用到的心脏特异性启动子AAV病毒外，汉恒生物还研发了靶向神经、肌肉、肺、肝脏、视网膜等组织器官的特异性启动子AAV病毒；此外，根据衣壳蛋白结构不同，汉恒还研发了几十种靶向性各异的血清型病毒。合适的血清型搭配特异性启动子，可针对不同的组织器官进行靶向高效感染。

5、参考文献

[1] World Health Statistics 2021,https://www.who.int/publications/i/item/9789240027053

[2] Prasad KM, Xu Y, Yang Z, Acton ST, French BA. Robust cardiomyocyte-specific gene expression following systemic injection of AAV: in vivo gene delivery follows a Poisson distribution. Gene Ther. 2011 Jan;18(1):43-52. doi: 10.1038/gt.2010.105. Epub 2010 Aug 12. PMID: 20703310; PMCID: PMC2988989.

[3] García-Olloqui P, Rodriguez-Madoz JR, Di Scala M, Abizanda G, Vales Á, Olagüe C, Iglesias-García O, Larequi E, Aguado-Alvaro LP, Ruiz-Villalba A, Prosper F, Gonzalez-Aseguinolaza G, Pelacho B. Effect of heart ischemia and administration route on biodistribution and transduction efficiency of AAV9 vectors. J Tissue Eng Regen Med. 2020 Jan;14(1):123-134. doi: 10.1002/term.2974. Epub 2019 Dec 22. PMID: 31677236.

[4] Piras BA, Tian Y, Xu Y, Thomas NA, O'Connor DM, French BA. Systemic injection of AAV9 carrying a periostin promoter targets gene expression to a myofibroblast-like lineage in mouse hearts after reperfused myocardial infarction. Gene Ther. 2016 May;23(5):469-78. doi: 10.1038/gt.2016.20. Epub 2016 Feb 29. PMID: 26926804.

[5] Francisco J, Zhang Y, Nakada Y, Jeong JI, Huang CY, Ivessa A, Oka S, Babu GJ, Del Re DP. AAV-mediated YAP expression in cardiac fibroblasts promotes inflammation and increases fibrosis. Sci Rep. 2021 May 18;11(1):10553. doi: 10.1038/s41598-021-89989-5. PMID: 34006931; PMCID: PMC8131354.

[6] Li L, Gao P, Tang X, Liu Z, Cao M, Luo R, Li X, Wang J, Lin X, Peng C, Li Z, Zhang J, Zhang X, Cao Z, Zou Y, Jin L. CB1R-stabilized NLRP3 inflammasome drives antipsychotics cardiotoxicity. Signal Transduct Target Ther. 2022 Jun 24;7(1):190. doi: 10.1038/s41392-022-01018-7. PMID: 35739093; PMCID: PMC9225989.

[7] Liu Z, Liu X, Liu L, Wang Y, Zheng J, Li L, Li S, Zhang H, Ni J, Ma C, Gao X, Bian X, Fan G. SUMO1 regulates post-infarct cardiac repair based on cellular heterogeneity. J Pharm Anal. 2023 Feb;13(2):170-186. doi: 10.1016/j.jpha.2022.11.010. Epub 2022 Dec 5. PMID: 36908856; PMCID: PMC9999303.

[8] Liu M, Peng T, Hu L, Wang M, Guo D, Qi B, Ren G, Wang D, Li Y, Song L, Hu J, Li Y. N-glycosylation-mediated CD147 accumulation induces cardiac fibrosis in the diabetic heart through ALK5 activation. Int J Biol Sci. 2023 Jan 1;19(1):137-155. doi: 10.7150/ijbs.77469. PMID: 36594096; PMCID: PMC9760447.