心血管疾病是全球主要致死原因。研究显示，遗传因素在其发病中发挥重要作用，并已确定多种基因治疗靶点。针对肥厚型、扩张型心肌病及高胆固醇血症等单基因遗传疾病，创新的基因治疗策略通过递送外源基因来补充因基因突变导致的蛋白质缺失，或通过基因编辑技术修复突变序列，以恢复蛋白功能。
然而，基因治疗在精准递送、治疗持久性、组织特异性及安全性方面仍面临挑战，如病毒载体和非病毒载体的局限性、不良反应及脱靶效应等。为克服这些难题，研究人员正积极探索解决方案。美国心脏协会（AHA）综述了基因治疗的核心概念、技术难点及其心血管疾病中的研究进展，本文对该科学申明的内容进行了整理，以助力读者了解基因治疗的复杂性及其在心血管疾病治疗中的应用前景。
心血管疾病（CVD）影响着全球数亿人口，给患者及其家庭带来了巨大的健康和经济负担。CVD通常需要终生管理，现有的治疗和干预措施只能缓解症状而难以根治。基因治疗为一些已明确发病机制的CVD提供了新思路。
单基因疾病往往由罕见致病变异（PVs）引发，导致编码蛋白的结构、功能或表达水平异常，从而引起相应的临床表现，并显著增加发病率和死亡率。显性单基因疾病（如扩张型、肥厚型和致心律失常性心肌病、心脏离子通道病和主动脉病）由2个基因拷贝中的1个发生变异引起；隐性单基因疾病（如纯合子家族性高胆固醇血症）则由2个基因拷贝都存在致病变异引起。临床遗传检测已广泛应用，能够筛查致病性单基因变异，实现早期精准诊断和及时干预。
多基因疾病由多种基因变异共同作用引发，这些变异单独影响较小，但累积效应会显著提高患病风险。大多数多基因变异位于非编码调控序列中，影响基因表达，常与高血压、糖尿病、高胆固醇血症及动脉粥样硬化等常见心血管疾病相关。基因组分析已鉴定了部分与疾病相关的多基因变异，为多基因风险评分的开发提供了基础，但支持多基因风险评分在临床管理中的应用证据仍有限。
单基因疾病研究推动了对发病机制及治疗靶点的深入了解。前蛋白转化酶亚型9（PCSK9）基因功能获得显性突变最早在一个患早发性动脉粥样硬化的家族中被发现。研究显示，PCSK9可降解低密度脂蛋白（LDL）受体，导致血液中LDL水平升高，与家族性高胆固醇血症中LDL受体功能丧失型变异的作用相似。相反，PCSK9功能丧失型变异则可降低LDL水平，减少心血管事件风险，且无明显不良影响。这些研究发现推动了PCSK9抑制剂的研发，如单克隆抗体alirocumab、evolocumab，以及小干扰RNA药物inclisiran，这些药物通过抑制PCSK9降低LDL水平，减少CVD事件。
尽管PCSK9抑制剂疗效显著，但由于其半衰期较短，治疗效果难以持久，因此需定期给药。目前，研究正探索通过基因治疗永久性沉默PCSK9基因，以实现更持久的疗效。基因治疗旨在利用对致病基因机制的深入理解，通过编辑、替换或调控基因活性，预防或根治心血管疾病，从而改变疾病进程。
基因治疗根据致病基因变异的机制和功能后果采取不同策略（图1），主要有增加正常基因表达和抑制致病性基因表达两大类。如果致病变异导致单倍体剂量不足（一个等位基因失活，蛋白质不足以维持正常功能），基因治疗的目标是通过递送外源蛋白编码序列、增强内源基因表达或修正突变DNA序列来提高蛋白质水平。
图1 基因治疗的机制和策略。心血管疾病中的致病变异（PVs）通常表现为单倍体剂量不足（即必需蛋白质量不足）或显性负效应（即产生异常功能的有害蛋白）。针对PVs的治疗策略因其发病机制不同而有所区别。对于单倍体剂量不足，可通过补充外源蛋白或直接编辑基因组中的致病变异来增加蛋白水平；而针对显性负效应，可通过靶向编辑或降解突变等位基因，阻止有害蛋白的生成。反义寡核苷酸（ASO）和小干扰RNA（siRNA）等技术常用于抑制异常基因的表达。其中，基因组编辑技术通常具有永久性效果，而RNA干预或外源蛋白补充的效果则相对暂时（实线框代表永久性效果，虚线框代表暂时性效果）。
对于具有显性负效应的致病变异（产生有害功能的蛋白），基因治疗策略包括修正突变DNA、使异常等位基因失活，或通过小干扰RNA或反义寡核苷酸沉默异常转录本。能够直接修改DNA序列的基因治疗通常具有永久性效果，而基于RNA的疗法或外源基因输送的持久性则因技术不同而有所差异。然而，基因治疗需要覆盖足够比例的靶细胞，才能在组织水平发挥疗效，并减少未治疗细胞通过分裂重新引发疾病的可能性。
用于修改DNA序列的基因编辑工具正快速发展，目前的主要技术包括CRISPR/Cas9系统、碱基编辑器和先导编辑器（图2）。尽管这些工具的组成部分不同，但每一种都包含一个导向（RNA）分子，用于靶向特定的待修改序列，以及能够切割DNA并替换、插入或删除≥1个核苷酸的分子。
CRISPR/Cas9系统通过在DNA中引入双链断裂，并利用非同源末端连接修复，可随机插入或删除序列，通常引入终止密码子以提前终止基因转录，从而失活异常基因。然而，由于靶向特异性受多种因素影响，可能意外失活两个基因拷贝，带来不可接受的后果。
相比之下，碱基编辑器能够将胞嘧啶转化为胸腺嘧啶，或将腺嘌呤转化为鸟嘌呤，而无需引入双链断裂。先导编辑器是由Cas9切割酶和改良的逆转录酶组成的融合蛋白，能实现多核苷酸的插入、删除或替换，提供更广泛的编辑选择。由于不引入双链断裂，碱基编辑器和先导编辑器具有更高的精准性和可预测性。
总体而言，这些工具可用于引入终止密码子以降解含显性负效应变异的基因拷贝、精确修复DNA序列，或引入激活序列增强基因表达，为基因治疗提供多样化的解决方案。
如何将基因治疗药物精准递送至器官内的特定目标细胞，仍然是基因治疗面临的重大挑战。目前常用的递送载体包括病毒载体和非病毒载体，两者各具特点（图3）。
图3 基因治疗的递送方法。基因治疗载体起到“运输工具”的作用，用于递送基因治疗所需的遗传物质（如补充用的外源基因或基因编辑工具）。病毒或非病毒载体携带基因治疗工具，与患病器官（如心脏）内细胞表面的受体结合后，通过内吞作用进入细胞。进入细胞后，载体从内体中释放并定位到细胞核，DNA编码的基因治疗工具随后被转录，产生补充蛋白或基因编辑工具。AAV指腺相关病毒。
非病毒递送系统以脂质纳米颗粒（LNPs）为主。LNPs由可电离脂质、两性磷脂、胆固醇和聚乙二醇脂质组成，能够包裹编码基因编辑工具或补充基因的核酸，并将其递送至细胞内。LNPs具备易于制造、免疫反应较低的优势，并已在治疗应用中取得成功，例如用于治疗心脏淀粉样变性的转甲状腺素蛋白小干扰RNA和COVID-19 mRNA疫苗。
由单倍体剂量不足引起的心血管疾病的基因治疗也在积极探索中。例如，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准通过AAV递送编码微肌营养不良蛋白的基因，用于杜氏肌营养不良症的治疗，但相关3期随机双盲临床试验的完整结果尚未公布。
同时，基因组编辑工具用于纠正致病变异的研究也在进行中。在肥厚型和扩张型心肌病的动物模型中，通过AAV9递送碱基编辑器已显示出永久性纠正致病变异的潜力。这些研究主要集中于疾病的预防，目前尚未证实其能逆转已确定的疾病。
此外，LNP递送碱基编辑器在非人灵长类动物中表现出显著降低低密度脂蛋白的效果，并在患有杂合子家族性高胆固醇血症的患者中显示持久疗效。然而，由于转氨酶升高和血小板减少症问题，一项1b期临床试验被暂停，目前替代LNP递送系统的试验正在进行中。
目前，多项早期临床试验正在评估通过病毒和非病毒递送进行基因替代和基因组编辑的安全性和有效性，为各种心血管疾病提供潜在的新治疗选择（表1）。
表1 CVD正在进行的临床试验
基因治疗依赖于对个体致病变异的精准了解，但在临床应用中仍面临诸多障碍，包括遗传检测渠道有限、医疗系统信任度不足、保险覆盖不足，以及患者和临床医生对遗传学知识的认知不足等。为推动基因治疗的合理使用，需加强对临床医生、患者和公众的教育，提升对遗传学概念和基因检测结果的理解。
基因治疗的组织、细胞类型和DNA序列的靶向特异性对治疗成功至关重要。通过使用细胞特异性启动子，可以限制CRISPR/Cas9、碱基编辑器和先导编辑器在目标细胞中的表达。然而，仍可能发生意外的DNA变化，这些变化既可能出现在靶点附近，也可能出现在远处。临床前研究显示，先导编辑器的靶向特异性最高，脱靶事件最少，但其递送效率仍低于临床应用需求。针对非预期突变的研究仍需加强，尤其是评估其对迟发性不良反应（如恶性肿瘤）的潜在影响。心肌细胞因致癌潜力低，意外导致恶性转化的风险较小，为心脏基因治疗提供了相对安全的基础。
AAV的组织靶向性最高，但多个器官同时摄取AAV载体，会降低其在靶细胞中的转导效率。LNPs经静脉注射后主要在肝脏积累，可有效治疗肝脏相关疾病，但也存在肝毒性风险。当前研究策略包括通过肝脏脱靶设计、结合细胞特异性配体和受体介导摄取分子，以及开发大载荷能力的工程化病毒样颗粒，进一步提升递送效率和安全性。
基因治疗中的载体和非人类序列可能引发免疫反应。约25%的个体携带中和性AAV抗体，这不仅影响初次治疗效果，还阻碍重复给药。
在CVD基因治疗中，如何在最大化治疗效果的同时最小化急性不良反应是关键问题。超过30%的AAV载体相关临床试验报告了严重不良事件，包括肝毒性、血栓性微血管病（系统性给药）、神经毒性（中枢神经系统给药）、急性呼吸窘迫综合征和死亡。高剂量AAV治疗患者的不良反应尤为严重。非病毒载体也可能引发副作用，如静脉注射LNPs可能导致肝毒性和输液相关超敏反应。
尽管临床前研究和早期试验显示了基因治疗用于CVD的潜力，但针对更大患者群体的长期疗效和安全性数据仍然不足,迫切需要识别不良结果风险较高的患者群体，并结合基因治疗稳定或逆转疾病的证据，确定最佳治疗时机。评估基因治疗疗效需要依赖生物标志物、功能评估和患者报告的生活质量指标，并与现有药物和治疗方案进行比较，从而明确其在心血管疾病治疗中的定位和价值。
然而，要将这一希望转化为临床现实，还需克服多项挑战，包括精准靶向心血管组织、降低递送载体免疫反应、减少基因编辑工具的脱靶效应、筛选最佳治疗人群以及建立长期疗效和安全性数据。在跨学科协作的推动下，基因治疗有望实现个性化医疗，根据患者的遗传和临床特征量身定制治疗方案，开创CVD治疗的新篇章。