2017年3月29日

粒線體遺傳疾病、 置換治療與三親嬰兒

作者/李岳倫,國家衛生研究院癌症研究所副研究員,研究領域為粒線體逆境生理與腫瘤微環境。

最近有個有趣但聳動的科學新聞,英國人類生殖與胚胎管理局(Human Fertilisation and Embryology Auth-ority, HFEA)在2016年12月批准粒線體置換治療(mitochondrial replacement therapy, MRT)與「三親嬰兒(three-parent baby)」進行人體試驗。此療法因尚有倫理問題未解決,在英、美等國一直被禁止。然而英國繼2015年允許粒線體置換治療進行胚胎改正實驗後,成為首個批准粒線體置換治療人體試驗的國家,預計第一個三親嬰兒將在2017年底出生。什麼是「三親嬰兒」?粒線體置換療法有何優點、又有何爭議?


粒線體與基因缺陷疾病
粒線體在細胞中的功能包括呼吸作用(respiration)、調控細胞凋亡、調節鈣離子濃度等,相當於身體內細胞的能量工廠,如同「細胞的發電機」。當它生病時就無法釋出足夠的能量,若發生在能量需求量大的器官就容易會產生嚴重疾病。在粒線體中工作的蛋白質,大部分來自細胞核基因所製造,少部分來自粒線體基因。導致粒線體生病的原因,除了外在環境因子或不良的生活習慣,例如抽菸、不運動和不均衡的飲食型態等非遺傳因素外,亦與來自細胞核或粒線體基因突變密切相關,兩者皆屬於粒線體遺傳疾病的範疇。在粒線體中,內部基質包含環狀粒線體DNA(mtDNA)以構成粒線體基因。粒線體DNA負責呼吸作用釋放能量之關鍵蛋白質的合成,當突變時會造成許多粒線體功能失調,而粒線體DNA主要遺傳自母親,所以粒線體基因突變缺陷也是一種母系遺傳疾病。

粒線體功能失調和許多疾病相關,以不同形式呈現,包括癌症、神經退化疾病、神經肌肉病變、肥胖、糖尿病。其中,粒線體基因突變遺傳疾病有可能導致神經退化性疾病帕金森氏症(Parkinson’s disease);引致認知障礙、耳聾、眼部肌肉痲痺及癱瘓的雷伯氏遺傳性視神經萎縮症(Leber hereditary optic neuropathy)等。雖然粒線體遺傳疾病的致病原因已較明朗,但因缺乏合適的藥物或大分子運輸系統,故治療粒線體功能缺陷的有效方法卻不多。

粒線體疾病療法
粒線體在細胞內的數量因細胞種類而異,一般而言,對能量高度需求的細胞,如肌肉、大腦、神經等所需數目較多,若功能缺陷所受影響也會較大。粒線體是一個雙層膜的胞器,不同部位所負責的功能不同,與細胞凋亡有關的蛋白通常送到外膜、與呼吸作用有關的送到內膜,mtDNA則送到內膜內的基質中。如何將藥物或補充分子有效率地送到正確的部位,則將是提高治療效率的關鍵,可惜目前解決功能缺陷的有效輸送方法卻不多,這也是未來粒線體藥物運送要努力的目標。

目前粒線體疾病重要的療法有:(1)抗氧化物策略;(2)刺激粒線體新生;(3)針對粒線體膜的成分、型態變化與自嗜作用來清除損害的粒線體;(4)置換治療;(5)細胞治療;(6)基因治療。 現今所發現的粒線體疾病大多來自粒線體基因突變,且直接由母系所遺傳的疾病,因此為避免傳到後代,基因改正治療是目前很多科學家致力發展中的最新策略,根本預防遺傳疾病產生,以維持下一代的健康,例如粒線體置換治療也是一種基因改正治療。以下先針對粒線體功能缺陷治療,從藥物分子種類、運送系統的發展做簡單介紹,接著再介紹粒線體置換治療。

1.以小分子藥物治療粒線體疾病
提供細胞的能量所需的粒線體在進行呼吸作用時,除了酵素,也需要維生素及輔脢Q(coenzyme Q)等小分子的參與,然而口服藥因缺乏載體將它們準確地運送至粒線體中而藥效不佳。因此,科學家找到身為親脂性的陽離子,正電磷酸三苯環(triphenylphosphonium, TPP),能接上維生素E,再利用粒線體內外膜電位差-150毫伏特的特性,將維生素E藉由電位差移動至粒線體基質中。

2.以蛋白質治療粒線體疾病
粒線體裡含有上千種不同的蛋白質,其中有13種蛋白質為粒線體基因負責製造,其餘由細胞核中的基因製造,再運送至粒線體。送往粒線體的蛋白質大都帶有粒線體標的訊號序列(mitochondrial targeting sequence, MTS),接上序列的蛋白質就會送入粒線體中。但此方法有2個限制:首先,若疾病是因細胞內的運輸系統失調所造成,則無法以此法治療。另外,若碰到粒線體基因所負責製造的蛋白質出問題時,因蛋白質疏水性太強,所以無法在水溶液的細胞質中運送,因此無法進行實際臨床運用。不過最近出現新曙光,在人類免疫缺陷病毒-1(human immunodeficiency virus-1, HIV-1)中,有一種穿膜胜肽能將蛋白質送到粒線體中,雖然確切機制不明,但可將已折疊的粒線體蛋白質送入粒線體,並保持原蛋白的生化活性。

3. 粒線體基因療法
粒線體疾病多來自粒線體DNA突變,所以很多基因療法嘗試進行基因改正治療,透過粒線體標的訊號序列接上核苷酸(oligodeoxynucleotides, ODN)或胜肽核苷酸(peptide nucleic acid)直接送到粒線體或環狀粒線體DNA修補,降低突變比例。但由於粒線體環狀DNA較大且無法順利接上粒線體標的訊號序列,因此研究者設計出一種親粒線體、具陽離子特性的脂質囊泡,稱作DQAsome,與DNA形成複合體,並與粒線體接觸時將粒線體環狀DNA送入。近來,科學家也研發出各種多功能奈米顆粒,核心是DNA,外套由脂質構成並加上具不同功能的修飾物,來增加穩定性與準確性。

4. 細胞治療與粒線體補充法
除了上述方法外,也能直接將健康的粒線體送入有缺陷粒線體的細胞中,透過一段細胞穿刺胜肽(cell penetrating peptide, CPP)接在粒線體外膜上,送入粒線體缺陷的細胞中,除了可刺激健康的粒線體增生,同時減少自由基誘導之氧化傷害,因此改善粒線體功能退化疾病,達到減緩疾病發生進程。目前「胜肽粒線體移植系統」已針對粒線體相關疾病如腦肌破碎紅纖維症候群(Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers, MERRF syndrome)與帕金森氏症進行細胞與動物試驗,提升粒線體新換舊的準確率可達60~70%,且不會誘導自體免疫或發炎反應。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】

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