作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/14 20:29:10
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顶刊暖心故事:
救治罕见病患儿后,他们又跟“元凶”化敌为友

 

仅为救助一个患上“无名炎症”的孩子,花两年多的努力去“揪出”一个从未见过的致病基因,值得吗?

由浙江大学生命科学研究院教授周青、良渚实验室研究员俞晓敏及温州医科大学附属第二医院儿童风湿科主任郑雯洁等人组成的“基础—临床”联合研究团队的答案是肯定的。他们觉得,即便是罕见病,一个致病基因的背后,也可能有成千上万等待被救助的患者。而在精准医疗的路上,“一个都不能少”。

这个联合研究团队最近就干了这样一件事。而让整个团队最初没想到的是,整个研究不仅从机理上拨开了患儿病理的“柳暗花明”,更通过与“元凶”的化敌为友,收获相关疾病诊治方面的“又一村”。6月13日,这项精彩的研究故事登上了国际免疫学顶刊《免疫》( Immunity )。 

周青教授(前排右二)和俞晓敏研究员(前排右一)团队的部分研究人员 本文图片均由受访对象提供


“无名炎症”背后的谜

三年前的一天,温州医科大学附属第二医院儿童风湿科主任郑雯洁接诊到一个罕见的病例。

病人是一个名叫丫丫(化名)的孩子,在本该活蹦乱跳的年纪,却因“反复关节肿痛10年余”而只能跛行。长年关节疼痛,让她不能跑步、行止困难,以至于整个人精神不振、无精打采。11岁时,她的身高只有122cm,与7岁孩童相当。

11岁的丫丫(右)比同龄人矮小很多

患儿复杂的病情,让郑雯洁久难平静。她很快组织医院的儿童关节炎多学科协作团队会诊。仔细讨论过后,诊断丫丫的病情为“慢性复发性多灶性骨髓炎”。

郑雯洁意识到,这是一个罕见病例。经验告诉她,要通过基因测序技术才能查出孩子的真正病因。然而,对丫丫及其父母的全外显子测序结果,只得到了阴性的结果报告。

这意味着人类目前已知的致病基因无法解释丫丫的病情。困惑之余,她想到了一个人——浙江大学生命科学研究院教授周青。

周青,医学遗传学专家,专长于临床遗传诊断和致病基因鉴定。多年来,她带领团队对自身炎症性疾病等罕见病患者的高通量测序数据进行生物信息学与遗传学分析,致力于“揪出”那些隐藏在海量基因组数据中的突变基因。

5年前,郑雯洁与周青在学术会议相识,两人一临床、一基础,志趣相投、理念相和,由此开启了长久的互补合作。在丫丫之前,她们联手已诊断了相当数量的自身炎症性疾病患者。

“我们长时间合作的目标,就是希望发现一些罕见病患者的致病突变,进而对患者进行有效治疗。”周青告诉《中国科学报》。

郑雯洁向周青详细介绍了丫丫的病情和基因检测结果。随后,周青组织团队对丫丫和家系的基因组数据在实验室作进一步分析。

再一次的分析结果很快出炉,仍然是阴性。

“这个结果其实在我们预料之中。”周青告诉记者,现阶段基因检测机构对已知致病基因的检测水平已经很高,结果基本不会有问题。

但这并不意味着无计可施。多年来跟自身炎症性疾病打交道,周青学到了一点:当现有科研结果无法解释现有的疾病时,那就有可能存在此前未被报道的致病基因。

揪出“幕后元凶”

进一步的探索很快展开。这一次,周青发现,丫丫的IL1R1基因携带一个新发突变(K131E突变)。这个突变,一下子把周青的思绪拉回到十多年前。

2009年,刚刚从中国科学院基因组研究所博士毕业的周青在《新英格兰医学杂志》上看到,美国国立卫生研究院的研究者Daniel Kastner鉴定了一个名为IL1RN的致病基因,并成功救治了这位患者。正是这个故事,让她坚定了远赴美国深造医学遗传学的决心。

而此时此刻,丫丫与那位患者有着类似的疾病表现,两人的基因突变(IL1R1与IL1RN),还处在相同的信号传导通路上。

直觉告诉周青,这个位于IL1R1上的K131E突变,极有可能就是丫丫的致病原因。

研究人员检测了丫丫的基因突变位点并进行了一系列体外实验室研究


论证一个突变的致病性,不能只靠直觉——这是一项很严肃和谨慎的工作,需要一系列体外实验,甚至需要使用动物模型,要经历多轮的严格科学论证。

目前已有的研究表明,IL-1通路在免疫调节中起着重要作用,它通过IL-1与其受体IL-1R1的相互作用来激活免疫细胞和炎症反应,以帮助机体对抗感染和修复受损组织。这让周青觉得:病情的关键很可能就在突变的IL-1R1上。

在与郑雯洁进行了多次讨论后,周青决定对这个罕见的IL1R1突变做进一步的探究。

她首先带领团队展开了大规模的人群基因组数据筛查,并通过多种生物信息学预测,对突变可能造成的蛋白功能影响提出猜想。从基因突变着手,研究团队在体外应用一系列的细胞生物学和生物化学与分子生物学实验,终于验证了突变的功能和其致病机制。

为确保万一,他们还构建了基因突变的小鼠动物模型,得到的结果也正如他们所猜想。

研究人员构建的基因突变小鼠模型也表现出类风湿性关节炎的表型

 

“团队获得第一个阳性数据花了几个月时间,而整个过程花费了整整两年多。”周青告诉记者,这期间他们经历了多次失败和打击,好在“功夫不负有心人”。

两年多的实验结果表明:K131E突变不影响受体IL-1R1与促炎细胞因子IL-1b、IL-1a相互作用,却影响拮抗因子IL-1Ra与其结合。这使得激活的IL-1信号通路无法得到有效的负向调控,这与丫丫所表现出体内高水平的IL-1b、IL-6、TNF等细胞因子的生化指标极为吻合。

此外,动物模型实验也证明了携带IL-1R1基因突变的小鼠相较野生型小鼠更易发生关节炎。这也与丫丫的临床表型高度相似。

“所有人都兴奋”的结果

至此,通过一系列详尽的生物化学、细胞生物学和小鼠实验,IL-1R1上的K131E突变的致病性得到了确认,丫丫的病情也得到了明确解释。

时光不等人。转眼丫丫14岁了,常规治疗始终难以控制病情。除了要遭受病痛的折磨,长期服用激素还让已进入花季的丫丫出现了明显的身材矮小,这更让一家人心急如焚。

IL-1R1突变的致病性确认,无疑给丫丫的病情带来了转机。周青和郑雯洁商量:给丫丫同情用药。

给此前从未见诸报道的罕见病患者同情用药,是一件非常严肃的事。经医院内外多轮专家论证后,他们获得了医院伦理委员会批准和丫丫父母的知情同意,决定给丫丫注射靶向IL-1β的“卡那单抗”,进行靶向治疗。尽管对用药效果有一定预期,但大家的心始终悬在半空。

结果比预期还要好。接受靶向IL-1治疗后,丫丫的病情迅速好转,治疗前因膝关节疼痛而难以正常行走的双腿,治疗后已经能和正常孩子一样跑步、跳绳,身高也快速蹿升——治疗13个月,身高长了13厘米。这令所有人都兴奋不已。

接受卡那单抗治疗后的丫丫各项检测均趋于正常

 

周青告诉《中国科学报》,很快,“人类孟德尔遗传数据库”(一个全球范围内持续更新的关于人类基因和遗传紊乱的数据库)将收录由于IL-1R1突变导致的新型自身炎症性疾病——IL-1R1对IL-1Ra敏感性的丧失(Loss of IL-1R1 Sensitivity to IL-1Ra , LIRSA)。

“虽然现在只是个别病例,但随着病种被报道,更多未被确诊的病例有可能会得到确诊。”周青说,而随着病例数量的增加,人们对于这种疾病将会有更深入的理解。

将基因突变“化敌为友”

故事到这里还没有结束。

在周青和团队应用一系列细胞内和细胞外实验探明突变基因的致病机制、给丫丫寻找妥当治疗方案的过程中,他们对这个领域里的不同药物有了深入了解。而这个让丫丫备受痛苦的致病突变,竟启发了他们对一些药物的改造。

具体来说,IL-1通路是当前治疗炎症性疾病的重要靶点,而针对该通路也已有多款药物被研发。丫丫的病例让周青团队想到,IL-1通路对机体的免疫反应至关重要,但过度或持续的IL-1信号激活却可能导致炎症性疾病的发生——丫丫的病情就是因体内持续激活的IL-1而起,最终也因成熟的靶向IL-1药物而受益。

这启发了周青、俞晓敏等人,可以利用出现在丫丫身上的致病突变,对相关药物作优化改造。

列洛西普(rilonacept,白介素-1阻断剂)是再生元制药公司于2008年研发的一款靶向IL-1a和IL-1b的靶向药。这款药物有一个致命缺陷:它在结合患者体内的IL-1a/IL-1b时,却也无差别地识别结合拮抗剂IL-1Ra。这不仅降低了药物的有效性,也削弱了IL-1Ra这一天然抑制剂的功效,无疑极大限制了其药效。

联想到处于IL-1R1胞外段的K131E突变可以抑制受体与IL-1Ra的结合,又不影响与IL-1b、IL-1a的相互作用,那么在列洛西普中引入K131E突变,是否可以弥补这一药物的缺陷?

说干就干。研究团队基于实验前期理论论证过程的充分准备,顺利地开展了对这款药物的改造和体内外功能论证。

“过程还算顺利,前后大概用了一年左右。”周青告诉记者,一款新的、特异性靶向IL-1a和IL-1b但不结合IL-1Ra的创新药“rilabnacept”,诞生了。

谁能想到,一个给丫丫带来病痛的基因突变,经科学家们的奇思改造后,却很大可能在不久的将来造福更多患者。

“这款药物要投入临床,未来还需要进行一些药理学和毒理学实验及动物实验。但因为这个药物突变改造前已经经历了多年的临床论证,其安全性有保证,因此我们对这款新药进入临床应用充满信心。”周青说。

研究人员对新药rilabnacept完成了一系列的临床前实验


从一个剥夺患儿快乐的“无名炎症”,到临床和基础研究的完美配合,再到“化敌为友”的奇妙构思,这篇发表在行业顶刊上的论文,讲述了一个激动人心的暖心故事。这其中既包含了致病基因的鉴定、对患者的有效治疗,还有致病机理的阐释、创新药物的开发。

要知道在以往,遗传病的研究几乎都要经历一个漫长的过程,从致病基因的发现到对患者针对性的治疗、再到针对性药物的研发,时间周期往往以十年计。

“从一个‘丫丫’出发,未来可能会救助无数的‘丫丫’,这是让我们最激动的部分。”周青对《中国科学报》说,她一直以来有个“心病”:许多自身炎症性疾病患者对这类病症认识不足,不了解这是一类遗传病,以至于到处求医问药也得不到有效救治。

“治疗包括自身炎症性疾病在内的罕见病,需要基础和临床的紧密合作,充分利用现有的医学技术和药物,同时不断探索新的治疗方法和药物。”周青说,我们希望汇集社会各界的力量,真正做到在精准医疗的路上,“一个都不能少”。

 
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