AAV 在骨科研究中的应用策略

腺相关病毒在骨科研究中的应用现状

 

腺相关病毒（AAV）属于细小病毒科，病毒颗粒无包膜，结构为直径约 20-26nm 的正二十面体，是迄今发现的一类结 构最简单且无法自主复制的线性单链 DNA 病毒，对分裂细胞和非分裂细胞均具有感染力。在研究中常用的重组腺 相关病毒（rAAV）是在非致病性野生型 AAV 的基础上经过改造而成的特异性更强的基因载体，其感染后约 3 周可达 表达高峰。自互补 AAV(scAAV) 是一种经过特殊设计的 AAV，在感染细胞后可以迅速形成双链 DNA，从而绕过了传统 AAV（ssAAV）需要宿主细胞 DNA 聚合酶合成第二条链的步骤，加快了基因表达的启动时间，scAAV 感染后 3-5 天达 到表达高峰。

因致病性低、可在分裂及非分裂细胞中实现持久表达等优势，AAV 已成为骨科领域基因递送的首选载体之一。AAV 可在软骨、骨、肌腱乃至滑膜组织中实现高效转导，并支持局部长期表达，为创伤修复及骨关节退行性疾病提供了 新的干预思路。

目前，针对骨关节炎、类风湿关节炎、罕见骨骼疾病、软骨修复与再生等的 AAV 基因疗法取得了显著进展，多项临床 前研究和临床试验 (图 2，表 1) 证实了其安全性和有效性 [1, 2]。

 

AAV 在骨科研究中的应用案例

 

应用案例 1：骨关节炎的 AAV 基因治疗 [3]

研究背景：骨关节炎（OA）是一种全球性的重大健康问题，目前尚无疾病修饰疗法。白细胞介素-1（IL-1）是与 OA 病 理生理学相关的关键细胞因子，可通过 IL-1 受体拮抗剂（IL-1Ra）抑制。研究团队开发了一种自互补型重组 AAV 载体（sc-rAAV2.5IL-1Ra），用于将 IL-1Ra 基因递送至膝关节。

研究方法：

试验设计：这是一项开放标签、单中心、1 期临床试验，旨在评估 sc-rAAV2.5IL-1Ra 的安全性和耐受性。共招募了 9 名 患有放射学证实的膝关节 OA 患者，按剂量分为低（1×10¹¹ vg）、中（1×10¹² vg）和高（1×10¹³ vg）三个剂量组。

给药方式：通过膝关节内注射 sc-rAAV2.5IL-1Ra，患者接受单次注射，随后进行为期 52 周的随访。

评估指标：主要评估安全性，包括不良事件（AEs）和严重不良事件（SAEs）。次要评估指标包括对生命体征、临床实 验室指标的影响，以及 IL-1Ra 在关节液中的表达水平。

 

实验结果

安全性：未报告与 sc-rAAV2.5IL-1Ra 相关的 SAEs。两名患者出现可能与载体相关的关节积液和疼痛，但均通过保守 治疗解决。未观察到对生命体征、体格检查或临床实验室指标的影响。

IL-1Ra 表达：所有患者的关节液中 IL-1Ra 浓度均有所增加，并在 1 年后仍保持较高水平。低剂量组患者关节液中 IL-1Ra 浓度增加了约 5 倍，中高剂量组患者的 IL-1Ra 浓度更高（原文图 3）。

原文图 3. 注射 sc-rAAV2.5IL-1Ra 后，关节穿刺液中 IL-1Ra 浓度随时间的变化。

疼痛和功能改善：患者报告的疼痛和功能评分在研究期间有所改善。低剂量组患者的疼痛改善较为显著，中高剂量 组患者的改善更为持久。

免疫反应：大多数患者在基线时存在低水平的 AAV2.5 中和抗体（NAbs），注射后中和抗体滴度有所上升，但未检测 到细胞介导的免疫反应。

 

应用案例 2：异位骨化的抑制 [4]

背景知识 FOP（Fibrodysplasia Ossificans Progressiva, FOP）是一种由 ACVR1 基因突变引起的遗传性疾病，其中约 97% 的 患者携带 ACVR1R206 H 突变。这种突变导致 BMP 信号通路异常激活，进而引发异位骨化。目前，FOP 尚无有效的预 防或治疗方法，患者主要依赖于对症治疗，如使用高剂量皮质类固醇来缓解炎症和疼痛。

研究方法 以 AAV9 作为基因递送载体，设计了三种 AAV 基因治疗策略： 基因替换：通过表达优化的人类 ACVR1（ACVR1opt）来稀释 ACVR1R206 H 的异常信号。 基因沉默：使用微 RNA（miRNA）特异性沉默 ACVR1R206 H 等位基因。 基因替换与沉默的组合：同时进行基因替换和基因沉默。

实验设计 体外实验：首先在人类 FOP 患者的诱导多能干细胞（iPSCs）和小鼠骨骼细胞中测试了这些策略的有效性。结果显 示，这些基因治疗策略能够显著抑制由 Activin A 诱导的异常 BMP 信号通路激活、软骨生成和成骨分化。 体内实验：在携带人类 ACVR1R206 H 突变的小鼠模型中进行了实验。通过局部注射或系统性注射 AAV9 载体，评估 了这些策略对创伤诱导和自发性异位骨化的抑制效果。

实验结果 体外实验：在人类 FOP iPSCs 和小鼠骨骼细胞中，AAV 基因治疗显著降低了 Activin A 诱导的 ALP 活性、矿化作用以 及 RUNX2、SOX9 等成骨和软骨生成相关基因的表达。 体内实验：在小鼠模型中，局部或系统性注射 AAV9 载体能够显著减少创伤诱导和自发性异位骨化的发生。特别是 在出生时或成年早期系统性注射 AAV9 载体，能够几乎完全预防异位骨化的发展，并且对骨骼生长和骨重建没有明 显的负面影响。

安全性评估：研究还评估了 AAV 基因治疗对小鼠免疫系统的影响，发现治疗并未引起明显的免疫反应，表明该方法 具有良好的安全性。

原文图 4 CasRx 介导的 Ctnnb1 和 Smo 敲低阻止了骨关节炎（OA）膝关节的退变

 

参考资料：

[1].Lin, C., et al., Development of AAV-Mediated Gene Therapy Approaches to Treat Skeletal Diseases. Hum Gene Ther, 2024. 35(9-10): p. 317-328.

[2].rol, M.W., The evolving landscape of gene therapy strategies for the treatment of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage, 2024. 32(4): p. 372-384.

[3].De la Vega, R.E., et al., A phase 1 clinical trial shows safe, sustained, AAV-mediated expression of IL-1Ra in the human osteoarthritic knee joint. Sci Transl Med, 2025. 17(801): p. eadu9804.

[4].Yang, Y.S., et al., Suppression of heterotopic ossification in fibrodysplasia ossificans progressiva using AAV gene delivery. Nat Commun, 2022. 13(1): p. 6175.