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內(nèi)毒素污染對基因治療和細胞治療的影響
閱讀：273 發(fā)布時間：2022-9-27
基因療法正在*改變我們治療人類疾病的方式。任何通過修改個人基因來治療或治愈疾病的技術(shù)都被認(rèn)為是基因療法的形式之一。這些技術(shù)可以通過幾種潛在的機理實現(xiàn)。一個基因的致病之處可能被滅活，或被健康的版本所取代，又或者是引進一個新的基因來對抗一種疾病。基因治療產(chǎn)品是通過將遺傳物質(zhì)引入細胞核而發(fā)揮作用的。為了引入遺傳物質(zhì)，科學(xué)家需要一個可將基因、核酸酶或短發(fā)夾RNA（shRNA）運送到人體細胞核的運輸系統(tǒng)。攜帶這種遺傳物質(zhì)的運輸工具被稱為載體1。
應(yīng)用于基因治療的載體多種多樣，可分為病毒型和非病毒型。病毒載體是目前美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的基因療法中使用的載體，而非病毒技術(shù)作為一種安全有效地將遺傳物質(zhì)運送給細胞以達到治療效果的方法正在研究當(dāng)中1。但與非病毒載體相比，病毒載體的基因轉(zhuǎn)移效率高10倍至1000倍。然而我們應(yīng)該意識到，基于非病毒載體的基因療法安全水平高且生產(chǎn)成本低，具有非常高的吸引力，在未來的藥物開發(fā)中具有很大的潛力5。
目前最常見的兩種載體是質(zhì)粒和病毒。質(zhì)粒是細胞內(nèi)的一種小型染色體外DNA分子，與染色體DNA物理分離，可以獨立復(fù)制。最常以小型環(huán)狀雙鏈DNA分子的形式出現(xiàn)在細菌中，但有時也會出現(xiàn)在古細菌和真核生物中。在自然界中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)粒，往往攜帶著有利于生物體生存的基因，并能提供獨.特的優(yōu)勢，例如對抗生素的強烈抗性。染色體很大，并且含有在“正常條件“下生活的全部基本遺傳信息，而質(zhì)粒通常很小，只含有在某些壓力、逆境或疾病狀態(tài)下才可能發(fā)揮作用的額外基因2。另一方面，由病毒載體包裝的基因可以整合到宿主細胞的基因組中并永.久表達。一些類型的病毒可將其基因組插入宿主的細胞質(zhì)中，但實際上并沒有進入細胞，而另一些病毒會偽.裝成可穿透細胞膜的蛋白分子，進而很容易地進入細胞?？赡馨l(fā)生的病毒性感染主要有兩種類型，一種被稱為裂解性感染，另一種為溶源性感染。裂解循環(huán)的病毒在插入其DNA后不久就迅速產(chǎn)生更多的病毒，隨后從細胞中迸發(fā)出來，繼續(xù)感染越來越多的細胞。溶源性病毒則是將其DNA整合至宿主細胞的DNA后，在對某個觸發(fā)因素作出反應(yīng)前可在體內(nèi)存活多年。病毒會像細胞一樣繁殖，并且不會對所依賴的宿主造成任何傷害，直至被某種方式觸發(fā)。一旦被觸發(fā)，病毒就會從宿主的DNA中釋放出來，以此創(chuàng)造新的病毒3。
最早應(yīng)用于基因治療的病毒載體是以腺病毒為基礎(chǔ)的，腺病毒會引起普通感冒以及人類呼吸道、腸道和眼部感染1。腺病毒以雙鏈DNA的形式攜帶遺傳物質(zhì)。當(dāng)進入宿主細胞時，這種遺傳物質(zhì)可短暫存在于細胞核中，因此能夠像其他基因一樣自由進行轉(zhuǎn)錄。并且，人們發(fā)現(xiàn)腺病毒會在患者體內(nèi)引發(fā)強烈的、具有潛在危險的免疫反應(yīng)，因此，使用該類型病毒進行基因治療的研究仍在繼續(xù)3。逆轉(zhuǎn)錄病毒、單純皰疹病毒等其他病毒載體也已被使用。
基因治療產(chǎn)品與所有人體治療藥物一樣，關(guān)鍵在于不受內(nèi)毒素污染。內(nèi)毒素，也被稱為脂多糖（lipopolysaccharide）或LPS，是革蘭氏陰性細菌外細胞膜的一種成分。作為一種強力的熱原，微量接觸也會導(dǎo)致危險的發(fā)燒甚至敗血癥。此外，內(nèi)毒素具有高度的耐熱性，很難通過傳統(tǒng)的方法來清除。
根據(jù)FDA管理指南，所有靜脈注射藥品的內(nèi)毒素含量必須低于5 EU每公斤體重。但內(nèi)毒素普遍存在于環(huán)境，實驗室也不例外，因此，基因治療產(chǎn)品在用于人體測試前進行內(nèi)毒素污染測試是至關(guān)重要的。
2019年發(fā)表于《Molecular Therapy – Methods & Clinical Development 》的一篇論文測試了一種從重組腺相關(guān)病毒（rAAV，一種常見的基因治療載體）原液中去除內(nèi)毒素污染的新方法。大腸桿菌通常是內(nèi)毒素污染的來源，rAAV便是由大腸桿菌中分離出來的質(zhì)粒DNA制備而來。8
該作者使用LAL（美洲鱟試劑）檢測法來定量內(nèi)毒素水平。清除rAAV原液的挑戰(zhàn)之一是任何殘留的洗滌劑都會引起毒性，還會干擾LAL檢測試劑，從而導(dǎo)致假陰性。其原因在于掩蔽效應(yīng)，即脂多糖分子被洗滌劑分子包圍，無法與LAL試劑相互作用。因此，作者將洗凈原液中的洗滌劑水平保持在臨界值以下，以便于使用LAL精準(zhǔn)地檢測內(nèi)毒素。8
這項研究強調(diào)了*凈化基因治療產(chǎn)品的重要性，以及為了去除殘留的洗滌劑而進行嚴(yán)格的交換緩沖液沖洗的必要性。隨著基因治療的普及，科學(xué)家們?nèi)皂氁庾R到內(nèi)毒素污染潛在危險的重要性，以及需要避免由于洗滌劑殘留而造成假陰性結(jié)果。8
與基于基因療法的治療方法一樣，細胞治療產(chǎn)品也需要考慮可能受到污染的問題。細胞治療產(chǎn)品包括細胞免疫療法、癌癥疫苗和應(yīng)用于某些治療適應(yīng)癥的其他類型自體或異體細胞，如造血干細胞和成人及胚胎干細胞。基因治療是通過蛋白載體或載體將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到合適的細胞中，而細胞治療是將具有相關(guān)和必要功能的細胞轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi)。4,6
在實驗室環(huán)境中培養(yǎng)任何一種類型的細胞時，所面臨的首要問題始終是避免污染。生物污染往往是工作的重點，同時也是最容易檢測和避免的。
例如，大多數(shù)細菌或真菌污染在細胞培養(yǎng)基中肉眼可見，并可以使用抗生素處理來預(yù)防。而支原體或其他細胞系等其他生物污染物則更難檢出，但仍可通過市面上的檢測試劑盒進行檢測。
化學(xué)污染與生物污染相比，受到的關(guān)注相對較少，并且更難檢測和避免。其中，最隱蔽的化學(xué)污染物就是內(nèi)毒素。潛在的內(nèi)毒素污染源包括水、細胞培養(yǎng)基、血清、玻璃制品和塑料制品。正如本文在基因治療產(chǎn)品部分中所提及，細胞治療中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)毒素對高壓滅菌和輻照都有很強的耐受力，這意味著它們可以在沒有活細菌的情況下存在。其高疏水性也使其對塑料制品具有很強的親和力，而且內(nèi)毒素與活細菌不同，在細胞培養(yǎng)基無法通過肉眼確認(rèn)。此外，內(nèi)毒素不能用抗生素去除，需要使用專門的內(nèi)毒素清除溶液。
采取措施避免內(nèi)毒素引起的細胞培養(yǎng)問題，可以使研究人員對實驗結(jié)果更有信心。為了幫助保持細胞培養(yǎng)物及其產(chǎn)生的療法不受內(nèi)毒素的污染，人們已提出了多種解決方法。其中，包括使用高純度的水和低內(nèi)毒素的FBS，以及使用經(jīng)認(rèn)證為無內(nèi)毒素的塑料器皿。7 然而，除了使用純化的原材料和試劑外，建立強大的無菌技術(shù)和滅菌程序，對減少內(nèi)毒素污染的幾率而言也非常重要。
無菌技術(shù)是每一位生物研究人員必須掌握的核心技能之一。為避免出現(xiàn)實驗偽像和潛在的細胞死亡，有必要防止細胞培養(yǎng)物的污染。此外，動物研究中的污染也可能導(dǎo)致感染或死亡。
大多數(shù)生物污染物可以使用漂白劑或乙醇等標(biāo)準(zhǔn)的消毒試劑來避免，但內(nèi)毒素高度穩(wěn)定，在沒有活菌的情況下也能繼續(xù)存在。因此，對于質(zhì)控技術(shù)人員來說，保持嚴(yán)格的無菌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作程序至關(guān)重要。
定期更換手套是內(nèi)毒素相關(guān)無菌技術(shù)的示例之一。沒有經(jīng)驗的細胞培養(yǎng)技術(shù)員可能認(rèn)為經(jīng)常用乙醇噴灑手套就足以保持無菌狀態(tài)，但乙醇可能會帶來內(nèi)毒素污染，因此，應(yīng)為使用者制定更換手套的頻率標(biāo)準(zhǔn)。
內(nèi)毒素污染會極大地影響體外實驗，特別是涉及免疫細胞的實驗。巨噬細胞對內(nèi)毒素的反應(yīng)表現(xiàn)為IL-6分泌增加，而T細胞的表現(xiàn)為增殖和淋巴因子的產(chǎn)生增加。
受到內(nèi)毒素的影響，非免疫細胞也可能會失調(diào)。傳統(tǒng)上認(rèn)為內(nèi)毒素是通過CD14受體起作用的，但缺乏這種受體的細胞仍可對內(nèi)毒素污染表現(xiàn)出強烈的反應(yīng)。例如，一項研究報告指出，心肌細胞在暴露于內(nèi)毒素時，會出現(xiàn)收縮功能障礙。其他研究也報告了CHO細胞內(nèi)蛋白產(chǎn)生的改變以及輸尿管上皮細胞中克隆效率的改變。
此外，不同的細胞系對內(nèi)毒素污染的靈敏程度差異巨大。一些細胞系在內(nèi)毒素低于1 ng/mL的情況下即表現(xiàn)失調(diào)，而其他細胞系則需要高達5000 ng/mL的濃度。也有理論認(rèn)為，在培養(yǎng)中生長多年的細胞系（如HeLa和CHO細胞）可能隨著時間的推移被自然選擇為耐內(nèi)毒素。基于這一點，很難確定一個廣泛適用的內(nèi)毒素污染安全閾值。
進行細胞培養(yǎng)時，購買低含量內(nèi)毒素產(chǎn)品是至關(guān)重要的。然而，內(nèi)毒素污染可能在打開試劑后產(chǎn)生，或在玻璃器皿/塑料器皿中轉(zhuǎn)移污染，因此定期進行內(nèi)毒素檢測顯得十分重要。
對于基因治療和細胞治療產(chǎn)品來說，鱟試劑（LAL）檢測法為量化內(nèi)毒素水平提供了一個兼具成本效益和高靈敏度的選擇。本檢測法依賴于從鱟血液中提取的蛋白，這些蛋白在內(nèi)毒素存在的情況下發(fā)生凝結(jié)反應(yīng)，可以對其定量以獲取高度準(zhǔn)確的內(nèi)毒素水平讀數(shù)。在維護我們的基因和細胞治療的安全性方面，特別是應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)以及重要的體外實驗時，這種檢測方法將會繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。
◆相關(guān)產(chǎn)品
點擊此處查看相關(guān)產(chǎn)品：內(nèi)毒素檢測系統(tǒng)Toxinometer® ET-7000
點擊此處查看相關(guān)產(chǎn)品：PYROSTAR™ ES-F 系列鱟試劑
◆參考文獻
1. | ‘How Does Gene Therapy Work?’ (2020 June). Genehome. Available at URL: https://www. thegenehome.com/how-does-gene-therapywork/vectors?gclid=Cj?KCQjwkZiFBhD9ARIsA GxFX8C53pUEumd-W82HmYSL_5gBGNPtMMD rR_882PILGN_0n9vF8icjPboaAjA-EALw_wcB
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2. | ‘Plasmid’. (2021 May 6). Wikipedia. Available at https://en.wikipedia.org/wiki/Plasmid
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3. | ‘Vectors in Gene Therapy’. (2020 December 16). Wikipedia. Available at URL: https:// en.wikipedia.org/wiki/Vectors_in_gene_ therapy |
4. | ‘Cellular and Gene Therapy Products’. (2021 March 2). U.S. Food and Drug Administration. Available at URL:https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/cellular-genetherapy-products#:~:text=Cellular%20therapy%20products%20include%20cellular,adult%20and%20embryonic%20 stem%20cells |
5. | Lundstrom, K. (2019). “Gene Therapy Today and Tomorrow". National Center for Biotechnology Information, ‘Diseases’. Published online 2019 April 28. Available at URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC6631424/ |
6. | David, A., Professor. “How Cell Therapy differs from Gene Therapy". Future Learn. Available at URL: https://www.futurelearn. com/info/courses/making-babies/0/ steps/23934#:~:text=Whereas%20gene%20 therapy%20involves%20the,appropriate%20 cells%20of%20the%20body.
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7. | Easthope, E. (2020). “Five Easy Ways to Keep Your Cell Cultures Endotoxin-Free". Biocompare, published online 2020 April 20. Available at URL: https://www.biocompare. com/Bench-Tips/563017-Five-Easy-Ways-toKeep-Your-Cell-Cultures-Endotoxin-Free/ |
8. | ‘Removal of Endotoxin from rAAV Samples Using a Simple Detergent-Based Protocol’. (2019 December 13). Molecular TherapyMethods & Clinical Development, published online 2019 September 6. Available at URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ PMC6804492/ |
Lisa Komski
Lisa Komski是FUJIFILM Wako Chemicals U.S.A. Corporation LAL部門的銷售總經(jīng)理。在化學(xué)和生命科學(xué)行業(yè)擁有近30年的職業(yè)生涯，是美國食品和藥物管理局（FDA）要求和cGMP方面的業(yè)務(wù)發(fā)展專業(yè)人士。Lisa擁有生物學(xué)和醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)位。
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