病毒载体概述

病毒载体概述

引言

基因导入系统（gene delivery system）是基因治疗的核心技术，可分为病毒载体系统和非病毒载体系统。本章主要论述用于人类基因治疗的病毒载体系统。

用于基因治疗的病毒载体应具备以下基本条件：

1、携带外源基因并能包装成病毒颗粒；

2、介导外源基因的转移和表达；

3、对机体不致病。

然而，大多数野生型病毒对机体都具有致病性。因此需要对其进行改造后才能用于人体。原则上，各种类型的病毒都能被改造成病毒载体。但是由于病毒的多样性及与机体复杂的依存关系，人们至今对许多病毒的生活周期、分子生物学、与疾病发生及发展的关系等的认识还很不全面,从而限制了许多病毒发展成为具有实用性的载体。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。

第一节病毒载体产生的原理

病毒载体的产生建立在对病毒的生活周期和分子生物学认识的基础之上。研究病毒载体首先要对病毒的基因组结构和功能有充分的了解，最好能获得病毒基因组全序列信息。病毒基因组可分为编码区和非编码区。编码区基因产生病毒的结构蛋白和非结构蛋白；根据其对病毒感染性复制的影响，又可分为必需基因和非必需基因。非编码区中含有病毒进行复制和包装等功能所必需的顺式作用元件。

各种野生型病毒颗粒都具有一定的包装容量，即对所包装的病毒基因组的长度有一定的限制。一般来说，病毒包装容量不超过自身基因组大小的105～110％。

基因重组技术的发展使病毒载体的产生成为可能。最简单的做法是，将适当长度的外源DNA插入病毒基因组的非必需区，包装成重组病毒颗粒。比如，本实验室曾将4.5kb的lacZ基因表达盒

（CMV-lacZ-polyA）插入HSV1病毒的UL44（糖蛋白C）基因的XbaI位点中，病毒基因组的其余部分不改变，构建成重组病毒HSV1-lacZ100（吴小兵等，1998）。由于UL44基因产物对于HSV病毒在培养细胞中产毒性感染是非必需的，因此，该重组病毒可以在细胞中增殖传代。用这种重组病毒感染细胞，能将lacZ基因带入细胞并高效表达。用同样的方法，将AAV-2病毒的rep和cap基因片段（4.3kb）插入HSV1病毒的UL2（编码尿嘧啶DNA糖基化酶）或UL44（编码糖蛋白C）基因中，构建成具有提供重组AAV载体复制和包装所需的全部辅助功能的辅助病毒rHSV-rc（伍志坚等，1999）。

然而，这样的重组病毒作为基因转移载体有许多缺点。首先，许多野生型病毒通过在细胞中产毒性复制而导致细胞裂解死亡；或带有病毒癌基因而使细胞发生转化。因此必须经过改造使其成为复制缺陷性病毒并且删除致癌基因后才能用于基因治疗。其次，插入外源DNA的长度受到很大限制，尤其对于基因组本身较小的病毒如腺病毒伴随病毒（AAV，4.7kb）、反转录病毒（8～10kb）、腺病毒（36kb），如果不去除病毒基因，可供外源DNA插入的容量就十分小。因此，必须删除更多的病毒基因以腾出位置插入较大的外源DNA。为了增加病毒载体插入外源DNA的容量，除了可以删除病毒的非必需基因外，还可以进一步删去部分或全部必需基因，这些必需基因的功能由辅助病毒或包装细胞系反式提供。

病毒载体大体上可分为两种类型：

重组型病毒载体：这类载体是以完整的病毒基因组为改造对象。一般的步骤是选择性地删除病毒的某些必需基因尤其是立早基因或早期基因，或控制其表达；缺失的必需基因的功能由互补细胞反式提供；用外源基因表达单位替代病毒非必需基因区；病毒复制和包装所需的顺式作用元件不变。这类载体一般通过同源重组方法将外源基因表达单位插入病毒基因组中。如在传统的重组腺病毒构建方法中，将外源基因表达盒（exogenous gene expression cassette）插入穿梭质粒（如pXCX2或pFGdX1）的腺病毒同源序

第二节病毒载体的包装系统

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。

第三节病毒载体的纯化方法

重组病毒的纯化与基因工程产品的纯化既有许多共性，又有显著的不同之处。病毒可以看作是一个具有特定结构的生物大分子，一般都由位于中心的核酸和包裹于其外的蛋白外壳组成。有些病毒还具有脂质膜和糖蛋白或糖脂。许多分离纯化蛋白质的方法如离心和梯度离心、盐析、柱层析、超滤、透析等方法都可用于病毒的纯化。然而，由于病毒结构的复杂性，纯化时不能采用蛋白质变性和复性的方法，因为一旦

病毒蛋白发生变性，或病毒结构发生破坏，在体外就很难再重建成有感染性的病毒颗粒。因此，在病毒的纯化过程中必须保持病毒的结构不受破坏，并且监测其感染活性。

病毒的纯化一般分为以下几个步骤：

初始物（start material）的收集或制备

根据病毒产生方式的不同而采取不同的方式。对于不导致细胞病变和死亡的病毒如反转录病毒，可不断收集产毒细胞（VPC细胞）的培养上清作为初始物；对于在生产病毒过程中宿主细胞发生病变和死亡的病毒如腺病毒，在病毒产生达到高峰时，收集培养上清，并裂解细胞以释放细胞内的病毒。

培养上清和细胞裂解液都可作为纯化的初始物。在实验室的小规模制备中，往往采用将培养上清与细胞一起反复冻融3～4次的方法制备细胞裂解液作为初始物。对于初始物体积大于500ml的较大规模的制备，则需要考虑采用不同初始物的损益率。如果收集时大部分（90％以上）目标病毒仍存在于细胞中，为了减少操作大体积初始物带来的不便，可以考虑放弃上清中含有的目标病毒，而通过低速离心收集细胞，重悬于较小体积的缓冲液中进行细胞裂解制备细胞裂解液。对于腺病毒和AAV病毒的大规模制备都可以采用这种方式。如果通过延长培养时间可以使大部分的目标病毒释放到培养液中，也可以只收集培养上清而弃去细胞，从而省去反复冻融的步骤。

除了用反复冻融方法裂解细胞外，还可以根据目标病毒的生物学性质采用其它不影响其感染性的方法，如超声法、化学法（如在AAV病毒制备中用脱氧胆酸或氯仿）等。

初始物的浓缩

当初始物体积较大时，要考虑对其进行浓缩后再分离纯化。浓缩时最好同时能获得初步纯化对于效果。在不影响目标病毒的感染性的前提下，可选用盐析、超滤、透析等方法进行浓缩。盐析法不仅可以用来浓缩初始物，同时也能达到一定的分离纯化效果。最常用的盐是硫酸铵；许多病毒如腺病毒、AAV病毒和单纯疱疹病毒用聚乙二醇/氯化钠系统沉淀可获得很好的效果并且不影响病毒的感染性。

目标病毒的分离纯化

第五节安全性检测

总的来说，病毒载体制剂的安全性检测主要涉及以下几个方面（Aderson RW 1996）：

有复制能力的病毒（replication competent virus, RCV）

RCV一般产生于重组病毒生产过程中基因重组事件。由于RCV具有复制能力，在生产过程中一旦出现，就可能呈现优势生长，从而影响载体病毒的产量；另外，含有RCV的制品用于人体内可能导致严重的病毒感染或急性/慢性病毒血症。

RCV是对用于基因治疗的病毒载体制剂安全性检测的特有项目。检测RCV的方法因不同的病毒载体而异。对于反转录病毒载体，检测有复制能力的反转录病毒（RCR）的方法主要是PG4 S+L- 分析法；也可

采用其它的变通方法。对于腺病毒载体，检测有复制能力的腺病毒（RCA）主要采用空斑分析方法及PCR 方法。

辅助病毒

对于生产过程需要辅助病毒参与的病毒载体如AAV病毒载体，由于这些辅助病毒本身具有复制能力并对机体细胞有破坏性，因此检测病毒制剂中的辅助病毒如腺病毒或单纯疱疹病毒的残存量十分重要。

其它成分的污染

检测指标包括细菌、霉菌、支原体、内毒素等及在纯化过程中所用试剂如氯化铯等的残余量。

第六节病毒载体的发展方向

基因治疗研究的快速发展对基因导入系统提出了越来越高的要求。病毒载体的发展也日新月异，包括对已有病毒载体的不断改进和完善，和越来越多的其它病毒被改造成为新的病毒载体。病毒载体的发展方向可归纳成以下几个方面：

简便、高效的病毒载体包装系统：考虑到包装的高效性和操作的简便性，越来越多的病毒载体生产系统将采用双组成因素系统。这种系统容易用于病毒载体的大规模生产（Liu XL et al.1999; Conway JE et al. 1999 ）。

无病毒基因的病毒载体（gutless viral vector）：去除病毒载体中所有的病毒基因，只保留其复制和包装所必需的顺式作用元件，是病毒载体的重要发展方向。这种策略可最大限度地扩大载体的容量和减少病毒对细胞的直接毒性和病毒蛋白表达引起的免疫毒性。腺病毒的微载体（mini-Ad）、AAV载体、HSV 扩增子载体都是无病毒基因的病毒载体。这一发展方向需要解决的主要问题是建立高效、安全（无辅助病毒污染）的包装系统。

可调控表达外源基因的病毒载体：在许多疾病的基因治疗中，实现外源基因的可调控表达十分重要。如糖尿病的基因治疗，外源的胰岛素基因的表达最好能受血糖水平的调控；肾性贫血的基因治疗，EPO基因的表达最好能受血氧含量的调控等。目前所研究的表达调控系统主要包括各种药物诱导的表达"开关"。其

中四环素控制系统（Tet-on和Tet-off）是人工设计的一种基因表达调控模式。这个系统在体外和动物体内实验中都表现出良好的表达调控作用（Fotaki ME et al.1997; Miller N and Whelan J 1997）。然而，由于其中的反式作用蛋白（tTA或rtTA）是异种蛋白，在机体内可能引起毒性作用和免疫反应，因此用于人体前还需考虑其安全性和长期有效性。

最近Binley K等（1999）报道了用缺氧反应元件（hypoxia response element ,HRE）腺病毒载体中外源基因的表达。缺氧可激活bHLH/PAS 家族转录因子的表达，它们可结合HRE核心序列上，诱发其下游基因的表达。

自我扩增型载体（self-amplifying vector）（Herweijer H and Wolff JA 1997）：目前的基因转移方法基因转移的效率仍相对较低，尤其是在体内。为了提高外源基因表达总水平，除了提高基因转移效率外，另一种方法是尽量提高外源DNA在细胞中的表达水平。用自我扩增型的表达载体是达到此目的的方法之一。这些载体是以正链RNA病毒Sindbis病毒和Semliki Forest 病毒为基础的。用目的基因代替病毒的外壳蛋白编码序列，导入靶细胞中，病毒的复制蛋白大量复制重组的基因组，mRNA水平的大量增加导致高水平的转导基因表达。自我扩增型载体的表现形式可以是RNA，DNA和重组病毒。

特异性复制型性病毒载体（specifically replicating vector）：指可在某种特性的组织中产毒性复制，而在其它组织中不增殖的病毒载体。这类病毒载体主要用于特异性裂解肿瘤细胞。如腺病毒突变株

Onyx-015是55Kdal E1B基因功能缺失的腺病毒突变株，可以选择性地在p53基因突变的肿瘤细胞中增殖，而在正常组织细胞中不增殖。用这种突变株联合化疗治疗恶性肿瘤II期临床结果令人鼓舞（Kirn D et al. 1998），已进入III期临床试验，从此，许多人工改造的腺病毒突变体被用于肿瘤治疗研究中。如将腺病毒E1基因的表达用甲胎蛋白（AFP）启动子控制，使得该病毒只能在甲胎蛋白阳性的肝癌细胞中增殖导致细胞死亡。也可以将这种病毒的基因组分开装在两个互补的缺陷性腺病毒载体上（Alemany R et al. 1999），其中一个载体除了腺病毒复制和包装所必需的顺式作用元件外，只含有E1区基因，其中E1A基因的表达受AFP启动子的控制；另一个载体为E1区缺失的重组腺病毒。这两个载体同时感染AFP阳性的肝癌细胞

时，病毒可不断增殖而引起细胞死亡；对于AFP阴性的细胞，E1A基因不表达，因而病毒不能增殖。类似的设计在HSV载体系统也有报道。除了用甲胎蛋白作为反式激活因子外，各种其它组织特异性表达的蛋白和调控序列都可被用来控制病毒的增殖。

嵌合型病毒载体（hybrid viral vector）：是指将不同病毒的基因元件进行组合，形成的重组杂合病毒。如腺病毒与AAV病毒的杂合体病毒，既具有腺病毒的感染性和基因组特性（双链线状DNA），又具有AAV 病毒的染色体整合性（Lieber A et al. 1999）。各种病毒基因元件组合形成新的杂合载体的报道层出不穷，如单纯疱疹病毒扩增子与AAV病毒杂合载体（Johnston KM et al. 1997）、腺病毒与EB病毒复制子杂合载体（Tan BT et al. 1999）腺病毒与反转录病毒杂合载体（Caplen NJ et al. 1999）等，不一而足。这些杂合载体使重组病毒的特性多样化，以适应不同基因转移目的的需要。

靶向性病毒载体（targeted viral vector）：是指能特异性地结合并感染某种细胞的病毒载体。靶向性病毒载体的产生主要有两种方法。一种方法是将病毒颗粒与某一靶向分子（Harari OA et al.1999 ）或特异性抗体（Bartlett JS et al. 1999）偶联；另一种方法是通过改变病毒外壳蛋白的结构，使其对细胞的亲嗜性发生改变（Reynolds P et al. 1999；Krasnykh VN et al. 1996 ）。

用各种其它病毒构成新型病毒载体：略。

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