Посещений:
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРУСНЫХ ВЕКТОРОВ ДЛЯ ГЕНОТЕРАПИИ



Клинические испытания

Viral vector-based gene therapies in the clinic
Zongmin Zhao,Aaron C. Anselmo,Samir Mitragotri
Bioengin.Transl. Med. https://doi.org/10.1002/btm2.10258

Gene therapies are currently one of the most investigated therapeutic modalities in both the preclinical and clinical settings and have shown promise in treating a diverse spectrum of diseases. Gene therapies aim at introducing a gene material in target cells and represent a promising approach to cure diseases that were thought to be incurable by conventional modalities. In many cases, a gene therapy requires a vector to deliver gene therapeutics into target cells; viral vectors are among the most widely studied vectors owing to their distinguished advantages such as outstanding transduction efficiency. With decades of development, viral vector-based gene therapies have achieved promising clinical outcomes with many products approved for treating a range of diseases including cancer, infectious diseases and monogenic diseases. In addition, a number of active clinical trials are underway to further expand their therapeutic potential. In this review, we highlight the diversity of viral vectors, review approved products, and discuss the current clinical landscape of in vivo viral vector-based gene therapies. We have reviewed 13 approved products and their clinical applications. We have also analyzed more than 200 active trials based on various viral vectors and discussed their respective therapeutic applications. Moreover, we provide a critical analysis of the major translational challenges for in vivo viral vector-based gene therapies and discuss possible strategies to address the same.
Генотерапия, изменяющая экспрессию генов или исправляющая дисфункциональные гены, предлагает большой потенциал в качестве терапевтического метода для лечения множества заболеваний.1-3 В отличие от традиционных лекарств, генная терапия генетически модифицирует клетки и, таким образом, открывает возможности лечения заболеваний, которые раньше считались неизлечимыми.4, 5 Концепция генной терапии восходит к 1960-м годам, когда первые исследования показали, что последовательности ДНК могут быть введены в клетки млекопитающих для восстановления генов.6 Десятилетия научных усилий привели к первому клиническому испытанию генной терапии на человеке в 1990 году с использованием технологии ретровирусного вектора для лечения тяжелого комбинированного иммунодефицита.7, 8 Однако в конце 1990-х годов генная терапия пережила серьезную неудачу после смерти пациента в результате иммунной реакции, вызванной вирусным вектором в ходе испытания в 1999 году, и развития лейкемии, вызванной вирусным вектором, у четырех пациентов после получения генной терапии на основе ретровируса в ходе другого испытания в 2000 году.9 Эти два события привели к временной остановке генной терапии в клинике, вызвали обеспокоенность по поводу ее безопасности и подчеркнули острую необходимость в более безопасных вирусных векторах. Следующее десятилетие было посвящено лучшему пониманию биологии вирусных векторов и разработке безопасных и эффективных векторов; это привело к первым клиническим одобрениям продуктов генной терапии. В 2003 году Китай одобрил первую в мире генную терапию для лечения рака головы и шеи (Gendicine). ЕМА одобрила свой первый продукт генной терапии в 2012 году (Glybera), а США - в 2017 году (Kymriah).10 С развитием технологий редактирования генов (например, CRISPR/Cas9), которые могут точно изменять гены на уровне оснований,11-13 генотерапия вступает в новую эру и быстро расширяет свои терапевтические горизонты в лечении более широкого спектра заболеваний.
Современные методы генотерапии делятся на две большие категории: генотерапию ex vivo и генотерапию in vivo. В частности, генотерапия in vivo подразумевает прямое введение генных терапевтических препаратов в кровь пациента или инъекцию в органы-мишени. 12, 14 Для генотерапии in vivo обычно требуется вектор, цель которого - упаковка и доставка генных терапевтических препаратов в клетки-мишени. Инженерные вирусы являются доминирующими векторами в современных клинических исследованиях генотерапии.15, 16 На сегодняшний день множество вирусных векторов, включая аденовирус (Ad), адено-ассоциированный вирус (AAV) и вирус простого герпеса (HSV), доказали свой потенциал в безопасной эффективной доставке генотерапии.17 Более десятка продуктов вирусной генотерапии были одобрены для лечения рака, инфекционных и моногенных заболеваний, и их клинические исследования продолжают расширяться.5 Здесь мы представляем обзор клинических достижений генотерапии на основе вирусных векторов. В частности, мы ограничиваем наше обсуждение генотерапией in vivo. Клинические достижения генотерапии ex vivo, часто относящейся к подклассу клеточных терапий, недавно обсуждались в других обзорах.19 Мы определили более 10 одобренных продуктов и более 200 активных клинических испытаний (рисунок 1) и представили моментальный обзор текущего клинического ландшафта, обсудив разнообразие клинически значимых вирусных векторов, рассмотрев клиническое применение одобренных продуктов и обсудив активные клинические испытания на основе соответствующих векторов и показаний к заболеваниям. Мы также обсуждаем критические проблемы, связанные с клиническим применением генотерапии на основе вирусных векторов in vivo, с целью создания основы для лучшего дизайна продукта.



FIGURE 1 Major clinically relevant viral vectors and active clinical trials analyzed in this review. Structure of representative viral capsids (AAV, Ad, HSV and retrovirus) reconstructed from Cryo-EM was presented. Images of structure of viral capsids were adapted/reprinted from the following literature: adeno-associated virus, adapted from Reference 20; Ad, reprinted from Reference 21; HSV, reprinted from Reference 22 with permission from the American Association for the Advancement of Science; retrovirus, reprinted from Reference 23

2 CLINICALLY RELEVANT VIRAL VECTORS


Основная причина использования вируса в качестве вектора для доставки генов заключается в использовании его естественной способности заражать клетки и эффективно переносить интересующие генные материалы в клетки хозяина.17 Основные типы вирусных векторов, используемых в клинике для генотерапии in vivo, включают Ad, AAV, HSV, ретровирус и лентивирус (рис. 1).24, 25 . Исчерпывающие обзоры различных вирусных векторов можно найти в других источниках.18, 24
3 CLINICALLY APPROVED VIRAL GENE THERAPIES


Наш поиск выявил 13 одобренных in vivo продуктов вирусной генотерапии во всем мире. В этих препаратах используются вирусные векторы HSV, ретровирусы, Ad, VSV, MVA и AAV (табл. 1). Их клиническое применение охватывает терапию рака, инфекционных и моногенных заболеваний.



TABLE 1. Clinically approved in vivo viral gene therapies, grouped by broad indications Name/trade name (manufacturer)

3.1 Cancer therapy products


Для лечения рака, в частности солидных опухолей, во всем мире одобрены четыре препарата вирусной генотерапии (табл. 1). Два из них основаны на аденовирусе, а остальные два используют HSV или ретровирус в качестве вирусных векторов. Основной механизм действия этих препаратов основан на: (1) разработанные вирусные векторы обладают присущими им онколитическими свойствами и/или (2) переносимый ген приводит к экспрессии опухолевых супрессоров или иммуномодуляторов, которые усиливают противоопухолевую эффективность.18 Примечательно, что после одобрения этих препаратов для лечения определенного типа рака, все они были или изучаются в клинике для лечения различных других типов рака.
IMLYGIC® является первым и единственным вирусным генным препаратом для лечения рака, одобренным Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США. IMLYGIC® был одобрен для лечения местной рецидивирующей нерезектабельной кожной, подкожной узловой меланомы после первоначальной операции путем прямого введения внутрь опухоли62. IMLYGIC® основан на модифицированном HSV1, в котором два вирусных гена, γ34.5 и α47, которые кодируют белок инфицированных клеток 34.5 (ICP34.5) и ICP47, соответственно, были удалены и заменены геном человеческого granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF).63 Удаление гена γ34.5 позволяет вирусу избирательно реплицироваться в опухолях, но не в нормальных тканях. Удаление гена α47 отменяет подавление иммунного ответа на вирус и способствует активации иммунной системы. Локально экспрессируемый GM-CSF вызывает инфильтрацию дендритных клеток для презентации опухолевого антигена и впоследствии приводит к адаптивному иммунному ответу против опухоли.63 Следует отметить, что помимо меланомы, IMLYGIC® был клинически исследован для лечения других солидных опухолей.64, 65 Наш поиск на сайте Clinicaltrials.gov показал, что IMLYGIC® упоминается в более чем 30 активных испытаниях, изучающих его способность лечить различные виды рака, такие как саркома мягких тканей, тройной негативный рак молочной железы, рак яичников, рак поджелудочной железы, рак прямой кишки и другие.
Помимо IMLYGIC®, три других продукта вирусной генотерапии рака были одобрены регулирующими органами, помимо FDA США/Европейского агентства по лекарственным средствам (EMA), включая Gendicine®, Oncorine® и Rexin-G®. Gendicine® является первой в мире одобренной вирусной генотерапией рака и он был одобрен в Китае в 2003 году для лечения плоскоклеточной карциномы головы и шеи.66 Gendicine® основан на человеческом Ad5, в котором ген E1 был заменен на ген, кодирующий человеческий p53 широкого типа, который является опухолевым супрессором. В отличие от IMLYGIC®, механизм действия Gendicine® зависит от экспрессии белка p53 в опухолевых клетках, который инициирует апоптотические пути, подавляет анти-апоптотические события и блокирует пути выживания.5 Gendicine® был клинически изучен для лечения различных видов рака, таких как рак мочевого пузыря, рак яичников, рак легких, рак молочной железы, рак печени и др.67 В настоящее время он упоминается в активном испытании, исследующем его комбинацию с ингибиторами иммунных контрольных точек для лечения солидных опухолей. Oncorine®, еще одна вирусная генотерапия рака на основе Ad5, которая была одобрена в Китае в 2005 году для лечения рефрактерного рака носоглотки на поздних стадиях в сочетании с химиотерапией. Онкорин® является онколитической вирусной генотерапией и основан на модифицированном Ad5, в котором вирусный ген E1B-55KD полностью удален; в вирус не были включены экзогенные гены. Дефект E1B-55KD позволяет вирусу избирательно реплицироваться в p53-дефицитных опухолевых клетках, но не в нормальных клетках. Вирус лизирует инфицированные опухолевые клетки и высвобождается из лизированных клеток для инфицирования соседних клеток.68 В настоящее время Oncorine® проходит активные клинические испытания для лечения других видов рака, включая рефрактерный злокачественный асцит и гепатоцеллюлярную карциному.
Rexin-G® - это вирусогенная терапия рака на основе ретровируса, несущая cytocidal (убивающий клетки) ген циклина G1, которая была одобрена на Филиппинах в 2007 году для лечения солидных опухолей. В отличие от трех других одобренных препаратов, Rexin-G® - это вирусная генотерапия, нацеленная на опухоли.69 Способность целенаправленно воздействовать на опухоли объясняется наличием в вирусном векторе криотического SIG-связывающего пептида, который может избирательно связываться с аномальными белками Signature (SIG) в опухолях. Механизм действия Rexin-G® в первую очередь основан на экспрессии циклина G1 в опухолевых клетках, который останавливает клеточный цикл в фазе G1 и тем самым запускает гибель клеток и апоптоз.5 После одобрения препарата на Филиппинах, Rexin-G® был исследован в нескольких завершенных испытаниях фазы 1 или 2 в США для лечения различных видов рака, включая рак поджелудочной железы, саркому, рак молочной железы и остеосаркому.69-71 Управление по контролю за продуктами и лекарствами США присвоило Rexin-G® статус orphan препарата для лечения остеосаркомы и саркомы мягких тканей в 2008 году, а в 2009 году - для лечения рака поджелудочной железы. В настоящее время Rexin-G® упоминается в двух активных клинических испытаниях. Интересно, что в одном из активных испытаний Rexin-G® исследуется как средство для лечения COVID-19 с обоснованием того, что он может нацеливаться на открытые коллагеновые белки в поврежденных легких, проникать в быстро делящиеся Т-клетки и убивать их, тем самым уменьшая выброс цитокинов и острый респираторный дистресс-синдром.
3.2 Vaccination products against infectious diseases


Шесть продуктов вирусной генотерапии были одобрены или разрешены к экстренному применению для вакцинации против инфекционных заболеваний, в частности против инфекций, вызванных вирусом Эбола и COVID-19 (Таблица 1). Все одобренные препараты основаны на рекомбинантных репликационно-некомпетентных вирусных векторах, несущих ген, кодирующий поверхностные белки вируса-мишени. Использование репликационно-некомпетентных вирусных векторов снижает риски, связанные с вирусными векторами. Механизм действия этих препаратов зависит от: (1) эффективного проникновения вирусных векторов в клетки в местах инъекций и доставки генной конструкции в инфицированные клетки и (2) доставки гена, который инструктирует клетки как избыточно экспрессировать поверхностные белки вируса-мишени, что стимулирует иммунную систему к клеточному и гуморальному ответу против инфекционных вирусов. Примечательно, что все шесть вакцин, за исключением JNJ-78436735 и Convidicea, используют график введения двух доз. Примечательно, что в двух препаратах (Zabdeno®/Mvabea® и Sputnik V) в первой и второй дозе использовались два разных вирусных вектора. По-видимому, это объясняется тем, что антитела против вирусных векторов, образующиеся после введения первой дозы, могут нейтрализовать и тем самым снизить эффективность второй дозы; использование другого вирусного вектора во второй дозе позволяет обойти эту проблему.
Два препарата вирусной генотерапии были одобрены для вакцинации против инфекций, вызванных вирусом Эбола. Ervebo® - первая в мире вакцина против вируса Эбола, одобрено EMA и FDA США в 2019 году. В качестве вирусного вектора в Ervebo® используется рекомбинантный VSV, несущий ген, кодирующий гликопротеин оболочки вируса Эбола (штамм Заир).72 В настоящее время она упоминается в двух активных испытаниях в Clinicaltrials.gov для изучения ее эффективности в конкретных группах населения или для сравнения ее эффективности с другими вакцинами против Эболы. В отличие от Ervebo®, Zabdeno®/Mvabea® использует два различных вирусных вектора (Ad26 и MVA), несущих генные конструкции, кодирующие поверхностный гликопротеин вируса Эбола.73 Наш поиск показал, что девять активных испытаний связаны с Zabdeno®/Mvabea® для дальнейшего изучения его использования для профилактики инфекций, вызванных вирусом Эбола.
Четыре продукта вирусной генотерапии были одобрены для вакцинации против инфекций SARS-CoV-2. Все четыре вакцины основаны на рекомбинантных векторах Ad, несущих ген, кодирующий белок S. Обоснованием для использования Ad может служить свойство Ad-вектора быстро, но скоротечно экспрессировать гены.74, 75 Быстрая экспрессия генов позволяет быстро вызвать иммунный ответ, а скоротечность экспрессии снижает риски безопасности. JNJ-78436735 в настоящее время является единственной вирусной вакциной от COVID-19, получившей разрешение на экстренное применение в США. В отличие от других утвержденных вакцин COVID-19, JNJ-78436735 доказала свою безопасность и эффективность при использовании всего одной дозы, а не двух.76 В настоящее время она упоминается в шести активных испытаниях на сайте Clinicaltrials.gov для изучения ее безопасности и эффективности в определенных группах населения, включая беременных женщин и детей. Три другие утвержденные вирусные вакцины COVID-19 имеют схожую с JNJ-78436735 конструкцию на основе вирусного вектора Ad, и каждая из них получила одобрение или разрешение на экстренное применение в разных странах. В частности, AZD1222, вакцина против COVID-19 шимпанзе на основе Ad-вируса,77 была первой в мире одобренной вирусной вакциной против COVID-19 и в настоящее время получила разрешение на применение в более чем 30 странах. Однако недавно ее применение было приостановлено в нескольких странах из-за повышенного риска образования тромбов.
3.3 Products for monogenetic diseases


Другая важная категория одобренных вирусных генотерапий предназначена для лечения моногенных заболеваний. В этой категории три препарата были одобрены для терапии метаболических, офтальмологических и неврологических заболеваний (табл. 1). Хотя они предназначены для лечения различных заболеваний, их основной механизм действия схож, то есть доставка исправленного гена для замены мутировавшей/дисфункциональной копии в клетках-мишенях для облегчения или даже лечения заболеваний.5 Примечательно, что во всех трех одобренных препаратах в качестве вирусного вектора используется AAV. Это объясняется главным образом тем, что AAV не обладают патогенностью, имеют низкую иммуногенность и, как правило, обеспечивают длительную экспрессию генов.
Glybera® - первая в мире одобренная вирусная генотерапия для лечения моногенного заболевания. Она была одобрена EMA в 2012 году для лечения дефицита липопротеиновой липазы - метаболического генетического расстройства, при котором у человека имеется дефектный ген липопротеиновой липазы. Glybera® использует AAV1 в качестве вектора для доставки неповрежденной копии гена липопротеинлипазы человека в мышечные клетки путем внутримышечного введения.78-80 В настоящее время Glybera® упоминается в активном клиническом исследовании для изучения его долгосрочной безопасности и эффективности. LUXTURNA® - первая генотерапия моногенных заболеваний, одобренная Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США, - получила одобрение в 2017 году в США, а затем в 2020 году в Канаде и Австралии для лечения биаллельной дистрофии сетчатки, связанной с мутацией RPE65. В его основе лежит вектор AAV2, содержащий кДНК RPE65 человека.81 В настоящее время LUXTURNA® проходит пять активных клинических испытаний на сайте Clinicaltrails.gov для изучения его долгосрочной безопасности/эффективности или терапевтического потенциала в конкретных группах населения. ZOLGENSMA® - единственная одобренная вирусная генотерапия для лечения неврологических расстройств. Он был одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в 2019 году для лечения спинальной мышечной атрофии с биаллельными мутациями в гене выживания моторных нейронов 1 у педиатрических пациентов в возрасте до 2 лет.5 В отличие от двух других одобренных препаратов для лечения моногенных заболеваний, ZOLGENSMA® вводится внутривенно. Это главным образом основывается на внутреннем тропизме разработанного вектора AAV9 к органам ЦНС. В настоящее время ZOLGENSMA® упоминается в пяти активных клинических испытаниях для изучения его долгосрочной безопасности и эффективности или для изучения его терапевтического потенциала при использовании других путей введения.
4 CURRENT CLINICAL TRIALS FOR VIRAL VECTOR-BASED IN VIVO GENE THERAPIES


Мы провели поиск активных клинических исследований на сайте clinicaltrials.gov, используя следующие методы/критерии. В качестве ключевого слова в категории "Другие термины" мы использовали "генотерапия", система также автоматически искала "перенос генов" и "ДНК-терапия". В категорию "Статус - набор" мы включили следующие статусы: еще не набран, набран, зачислен по приглашению и активен/не набран. Затем мы вручную просмотрели все выявленные испытания и исключили испытания генотерапии на основе невирусных векторов, испытания генотерапии ex vivo и испытания обсервационных исследований (а не интервенционных). Данные собраны по состоянию на март 2021 года.
Наш поиск выявил 284 активных клинических испытаниq генотерапии in vivo на основе вирусных векторов. В настоящее время в активных испытаниях используется более 10 типов векторов, среди которых наиболее распространены AAV, Ad и HSV. В частности, AAV используются чаще, составляя 48,2% от общего числа испытаний (Рисунок 2a). Скорее всего, это можно объяснить недавними достижениями в разработке различных серотипов/вариантов AAV и их выдающимися преимуществами, такими как низкая иммуногенность и стабильная экспрессия генов.37, 42, 82-84 Следует отметить, что Ad и HSV, два самых ранних вектора, изученных в клинике, по-прежнему часто используются в активных испытаниях. Однако ретровирус используется не так часто (выявлено только одно активное испытание), что, скорее всего, объясняется высоким риском инсерционного мутагенеза.85, 86 Анализ стадии текущих активных испытаний показал, что большинство испытаний находятся на ранних стадиях (фазы 1 и 2). Однако более 10,4% испытаний достигли поздних стадий (фазы 3 и 4) (Рисунок 2b). Распределение по фазам выявленных испытаний свидетельствует об их выдающемся клиническом потенциале; многие продукты доказали свою безопасность и достигли поздних стадий исследований, в то время как гораздо больше продуктов вошли в ранние стадии испытаний. В большинстве (71,1%) выявленных исследований для доставки генотерапии использовался не внутривенный метод (например, внутримышечный, интратуморальный, субретинальный, интравитреальный, внутричерепной, интратекальный и подкожный), в то время как 25,4% из них вводились внутривенно (рис. 2c). Текущие активные испытания проводятся по широкому спектру показаний, которые можно разделить на три основные категории, включая рак, инфекционные заболевания и моногенные заболевания (Рисунок 2d). Испытания против рака охватывают различные типы рака, однако большинство из них направлено на лечение солидных опухолей, что, скорее всего, объясняется тем, что вирусные векторы могут более эффективно доставляться и удерживаться в солидных опухолях по сравнению с жидкими опухолями. В большинстве испытаний по лечению инфекционных заболеваний используется механизм вакцинации. Испытания для лечения моногенных заболеваний охватывают широкий спектр показаний, включая офтальмологические, метаболические, неврологические, гематологические, костно-мышечные и сердечно-сосудистые заболевания. Здесь мы проводим дальнейший анализ выявленных испытаний на основе типов вирусных векторов и соответствующих показаний.



FIGURE 2 Clinical landscape of viral vector-based in vivo gene therapies. Overview of current clinical trials based on (a) phase, (b) vector type, (c) administration method, and (d) indication

4.1 AAV vector-based clinical trials


AAV - наиболее распространенный тип вектора, используемый в выявленных испытаниях для генотерапии in vivo. Мы выявили 137 активных клинических испытаний на основе AAV. Большинство из них находятся на ранних стадиях (фазы 1 и 2), однако более 7% из них достигли как минимум фазы 3 (Рисунок 3a), что отражает их выдающийся клинический потенциал. Дальнейший анализ показал, что испытания на поздних стадиях в основном направлены на гематологические заболевания, такие как гемофилия А и В, неврологические заболевания, такие как спинальная мышечная атрофия, офтальмологические заболевания, такие как пигментный ретинит, и заболевания опорно-двигательного аппарата, такие как мышечная дистрофия Дюшена. Мы проанализировали серотипы/варианты векторов AAV, используемых в активных испытаниях. Исторически AAV2 был первым серотипом AAV, который изучался в клинике для генотерапии in vivo.43 Однако за последние десятилетия было разработано множество серотипов/вариантов AAV для конкретных тканей и показаний.42, 84, 87 Усилия по разработке серотипов/вариантов отражены в текущих клинических испытаниях. Более 20 серотипов/вариантов используются в текущих клинических испытаниях, причем наиболее широко применяются AAV2, AAV9 и AAV8 (рис. 3b). Давно изученные серотипы, такие как AAV2, AAV8 и AAV5, доказали свои выдающиеся профили безопасности, когда они вошли в фазу 3 испытаний. Появляются новые варианты, такие как AAV4D-R100, AAV4D-R102, AAV2tYF, AAVS3, AAV.rh8, AAV.rh10h, AAV.rh74, AAVhu37, AAV-LK03, AAV Spark 10 и некоторые другие, однако их безопасность все еще оценивается на ранних стадиях испытаний. Мы проанализировали метод введения, использованный в выявленных испытаниях AAV. Примерно в половине (48,2%) исследований использовались внутривенные инъекции (Рисунок S1a). В контексте внутривенного введения векторы AAV захватываются в печени или направляются в органы ЦНС, полагаясь на тропизм конкретных вариантов AAV. В случае не внутривенного введения используется более локальный метод введения, включая субретинальные, интракраниальные, интратекальные или интравитреальные инъекции для лучшей локализации векторов AAV в тканях-мишенях. Анализ тканевых мишеней в выявленных исследованиях показывает, что печень, глаз и органы ЦНС являются наиболее подходящими органами мишенями; значительный процент исследований (8%) также включает мышцы в качестве первичной целевой ткани (Рисунок S1b).



FIGURE 3 Landscape of adeno-associated virus-based in vivo gene therapy clinical trials. A total of 137 active clinical trials were identified and further analyzed according to (a) phase, (b) serotype, and (c) indication

Моногенные заболевания являются основными показаниями к проведению базирующихся на AAV клинических испытаний (Figure 3c and Table 2). Это не удивительно, поскольку векторы AAV могут проникать как делящиеся, так и неделящиеся клетки и обусловливать долговременную , стабильную экспрессию генов, что делает их более пригодными в тех случаях, когда необходимы долговременные модификации генов.42, 88 Офтальмологические, нейрологические, метаболические и гематологические болезни являются главными категориями болезней в проводимых AAV-based испытаниях.



TABLE 2. Examples of current clinical trials for adeno-associated virus (AAV)-based in vivo gene therapies, grouped by indication

Почти треть (29,4%) активных испытаний исследуется для лечения офтальмологических заболеваний (Рисунок 3c и Таблица 2). Следует отметить, что во всех этих испытаниях генотерапия AAV вводится непосредственно в глаз с помощью локальных методов, таких как субретинальные и интравитреальные инъекции. Такое локальное введение обеспечивает эффективную доставку вирусных векторов в целевые отделы сетчатки, а также уменьшает внецелевые эффекты. В настоящее время изучается более девяти видов офтальмологических заболеваний (Таблица 2), а подробный анализ результатов нашего поиска по заболеваниям показан на рисунке S1c. Примечательно, что пигментный ретинит является наиболее изученным в клинике офтальмологическим заболеванием. В этих испытаниях, связанных с пигментным ретинитом, функциональный ген доставлялся в клетки сетчатки для замены мутировавшей или утраченной копии с целью восстановления зрения. В зависимости от конкретного типа пигментного ретинита в этих испытаниях использовались различные гены, например, гены, кодирующие channel rhodopsin, Phosphodiesterase 6A, and retinitis pigmentosa GTPase regulator. Следует отметить, что механизм, задействованный в испытаниях по возрастной макулярной дегенерации, отличается от механизма при других показаниях. Вместо замены/восстановления гена в этих испытаниях по лечению возрастной макулярной дегенерации используются векторы AAV для экспрессии терапевтического белка, такого как анти-VEGF Fab.
Помимо офтальмологических заболеваний, неврологические, метаболические, гематологические и костно-мышечные заболевания - это еще четыре основных показания, на которые направлены текущие испытания AAV (Рисунок 3c и Таблица 2). В клинике AAV используются для лечения многих заболеваний, входящих в эти категории (Рисунок 3c). Подробный анализ результатов нашего поиска по показаниям заболеваний можно увидеть на рисунке S1c. Следует отметить, что в случае метаболических заболеваний все выявленные испытания направлены на введение гена для экспрессии утраченного фермента для лечения заболевания. В большинстве (88,9%) исследований в качестве органа-мишени используется печень, а в некоторых - органы ЦНС или мышцы. В контексте гематологических заболеваний все выявленные испытания исследуют два конкретных заболевания - гемофилию А и гемофилию В (Рисунок S1c). Во всех этих испытаниях генотерапия AAV вводится внутривенно, а в качестве органа-мишени используется печень. Следует обратить особое внимание на то, что гемофилия является одной из самых первых областей, для которых были изучены генотерапии на основе AAV; их профиль безопасности был продемонстрирован в течение многих лет разработки.89, 90 Поэтому неудивительно, что многие препараты-кандидаты, например, valoctocogene roxaparvovec, исследуются на поздней стадии (фаза 3) испытаний.
Клинический успех генотерапии на основе AAV для лечения моногенетических заболеваний послужил катализатором для изучения ее потенциала в лечении других заболеваний. Появляются клинические испытания генотерапии на основе AAV для лечения других заболеваний, помимо моногенных, и новые показания включают сердечно-сосудистые заболевания, инфекционные заболевания и даже старение (табл. 2). Например, генная терапия на основе AAV, обеспечивающая экспрессию терапевтического белка, человеческого моноклонального антитела VRC07, изучается в клинике для лечения ВИЧ-1 инфекции. Эти примеры расширяют терапевтические горизонты генотерапии AAV за пределы моногенных заболеваний.
4.2 Adenovirus vector-based clinical trials


Генотерапия на основе Ad-векторов остается одним из наиболее активных направлений клинических исследований. Мы выявили 83 активных клинических исследования, большинство из которых находятся в фазе 1 или 2. Однако 24% исследований достигли фазы 3 или 4 (Рисунок 4a). Это неудивительно, поскольку генотерапия на основе Ad-векторов исторически продемонстрировала высокую безопасность и эффективность.91 В этих исследованиях используются различные серотипы/варианты Ad, причем наиболее широко применяются Ad5 и Ad26 (Рисунок 4b). Другие известные клинически исследованные серотипы/варианты включают enadenotucirev (EnAd), Ad VCN-01, Ad5/35, Ad шимпанзе (ChAd) и т.д. (Рисунок 4b и Таблица 3). Примечательно, что ChAd становится важным вариантом в текущих клинических испытаниях, что, скорее всего, объясняется тем, что ChAd не заразен для человека и поэтому имеет хороший профиль безопасности.92, 93 Инфекционные заболевания и рак - два основных показания, на которых сосредоточены текущие активные испытания (Рисунок 4c). Появляются новые области показаний, такие как сердечно-сосудистые заболевания и дегенеративные заболевания; однако число текущих клинических испытаний в этих областях составляет лишь единицы (Таблица 3).



FIGURE 4 Landscape of adenovirus-based in vivo gene therapy clinical trials. A total of 83 active clinical trials were identified and further analyzed according to (a) phase, (b) serotype, and (c) indication



TABLE 3. Examples of current clinical trials for adenovirus-based in vivo gene therapies, grouped by indication

Проводимые клинические испытания с использованием генотерапии на основе Ad-векторов для лечения инфекционных заболеваний многочисленны (Таблица 3), и следует отметить, что во всех этих испытаниях, связанных с инфекционными заболеваниями, используется механизм вакцинации. Как уже упоминалось в предыдущем контексте, отличительные особенности Ad-векторов, включая переходную, но высокую экспрессию генов и высокую иммуногенность векторов, делают их идеальными кандидатами для применения в вакцинации.29 Вирусы COVID19 и Эбола являются двумя доминирующими специфическими типами заболеваний среди выявленных клинических испытаний, связанных с инфекционными заболеваниями. Более половины этих испытаний связаны с утвержденными продуктами, включая Ad26.ZEBOV для Эболы и JNJ-78436735, Sputnik V, Ad5-nCoV и AZD1222 для COVID19. Дальнейший анализ показал, что эти текущие испытания направлены на: (1) получение одобрения в разных странах, (2) изучение их эффективности в определенных группах населения, (3) изучение различных режимов дозирования, (4) сравнение эффективности одного одобренного препарата с другим, и (5) изучение комбинации одного препарата с другим. Помимо COVID19 и инфекции, вызванной вирусом Эбола, ряд других инфекционных заболеваний также изучается в рамках выявленных текущих испытаний, включая Middle East Respiratory Syndrome (MERS), ВИЧ, гепатит B и туберкулез (TB). Клинический успех вакцин против лихорадки Эбола и COVID19, особенно вакцины COVID19, несомненно, станет стимулом для будущих клинических исследований вакцин на основе Ad. Мы ожидаем, что клинические испытания вакцин на основе Ad для широкого спектра инфекционных заболеваний будут продолжаться.
Рак является второй наиболее исследованной областью для проводимых клинических испытаний генотерапии на основе Ad-векторов (Таблица 3). Интересно, что хотя два препарата на основе Ad-векторов были одобрены, их исследования в текущих испытаниях минимальны; в двух испытаниях, связанных с Oncorine® и двух Gendicine®, изучается их применение при дополнительных видах рака. Например, Oncorine® исследуется для лечения гепатоцеллюлярной карциномы и рефрактерного злокачественного асцита. В большинстве клинических испытаний, связанных с раком, изучаются новые кандидаты для лечения различных видов рака, включая рак поджелудочной железы, глиобластому, рак легких, базальноклеточную карциному, рак молочной железы, рак предстательной железы и др. В течение десятилетия было выявлено множество мощных белковых терапевтических средств, таких как иммуномодулирующие цитокины и антитела, для лечения рака. Новые кандидаты на генотерапию рака на основе Ad, проходящие активные клинические испытания, включают гены, кодирующие эти мощные белковые терапевтические средства. В число интересных генов входят анти-CD40 антитела, IL-12, TMZ-CD40L, 4-1BBL, HSV-tk, IFN-γ и многие другие (Таблица 3). Следует отметить, что во многих случаях эти новые кандидаты могут включать различные режимы противораковой активности (например, лизис опухоли, опосредованный вирусным вектором, и иммуномодуляцию, вызванную белковой терапией) для синергического подавления опухолей.
4.3 HSV vector-based clinical trials


Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило генотерапию на основе HSV (IMLYGIC®) для применения при раке, поэтому неудивительно, что большое количество клинических испытаний исследует генную терапию на основе HSV. Мы выявили 46 уникальных исследований генотерапии на основе HSV. Большинство из них находятся на ранних стадиях, а одно исследование достигло фазы 3 (Рисунок 5a). Анализ серотипов HSV, используемых в этих испытаниях, показал, что чаще всего используется HSV1 (Рисунок 5b). Это вполне объяснимо, поскольку клиническое одобрение IMLYGIC® подтвердило выдающийся профиль безопасности и многообещающий терапевтический потенциал вектора HSV1.



FIGURE 5 Landscape of herpes simplex virus-based in vivo gene therapy clinical trials. A total of 46 active clinical trials were identified and further analyzed according to (a) phase, (b) serotype, and (c) indication

Почти все выявленные испытания посвящены применению в онкологии, что, скорее всего, объясняется продемонстрированным онколитическим свойством векторов HSV (Рисунок 5c). Большинство (77,3%) испытаний против рака сосредоточено на одобренном IMLYGIC® для лечения дополнительных видов рака, таких как саркома, плоскоклеточная карцинома кожи, рак молочной железы, рак яичников, рак прямой кишки, рак поджелудочной железы и рак печени (Таблица 4). Утверждение дополнительных показаний для утвержденного продукта, как правило, более прямое по сравнению с новой технологией, поэтому неудивительно, что так много испытаний связано с IMLYGIC® для лечения дополнительных видов рака. Испытания, не связанные с IMLYGIC® для применения при раке, изучают другие серотипы HSV или новые гены, представляющие интерес (Таблица 4). Например, кандидат на основе HSV2 в настоящее время проходит фазу 1/2 испытаний для лечения рака желудочно-кишечного тракта и меланомы. IMLYGIC® несет ген, кодирующий GM-CSF для иммунологического усиления эффективности терапии рака. В испытаниях, не связанных с IMLYGIC®, гены, представляющие интерес, выходят за рамки GM-CSF, включая гены, кодирующие анти-CTLA-4 антитела, CD40 лиганд, 4-1BBL, IL-12, fusogenic белок и тимидинкиназу-m2 (Таблица 4).



TABLE 4. Examples of current clinical trials for herpes simplex virus (HSV)-based in vivo gene therapies, grouped by indication

В выявленных клинических испытаниях генотерапии на основе HSV дополнительные показания, кроме применения при раке, встречаются редко. Однако некоторые новые области появляются. Например, лечение дерматологических заболеваний задействовано в нескольких из выявленных испытаний (Таблица 4). Например, KB105, репликационно-некомпетентный, неинтегрирующий вектор HSV1, экспрессирующий человеческую трансглутаминазу 1 (TGM-1), в настоящее время изучается для лечения связанного с TGM-1 аутосомно-рецессивного врожденного ихтиоза.
4.4 Other viral vector-based clinical trials


Мы выявили 18 текущих клинических испытаний с использованием новых вирусных векторов, отличных от AAV, Ad и HSV, для генотерапии in vivo (Таблица 5). Эти новые вирусные векторы включают лентивирус, аренавирус (arenavirus), вирус кори, MVA, вирус оспы, VSV, цитомегаловирус человека, ретровирус, вирус Сендай и другие. В зависимости от свойств конкретных вирусных векторов, появляются различные показания к применению генотерапии на основе этих вирусных векторов. Среди них можно отметить рак, инфекционные и неврологические заболевания. Следует отметить, что генотерапия in vivo на основе лентивирусов становится важной областью активных клинических исследований. Уже ведутся клинические испытания, в которых исследуются генотерапии на основе лентивирусов для лечения рака, инфекционных заболеваний, неврологических заболеваний, болезней обмена веществ и офтальмологических заболеваний. Ожидается, что с улучшением понимания биологии этих новых вирусных векторов они будут более широко исследоваться в клинических испытаниях по различным показаниям.



TABLE 5. Examples of current clinical trials for other viral vector-based in vivo gene therapies, grouped by indication

5 CLINICAL CHALLENGES


Генотерапия на основе вирусных векторов сталкивается со многими проблемами, которые могут повлиять на ее внедрение и принятие в стандартную клиническую практику; эти проблемы были подробно рассмотрены в предыдущих статьях.94-103 Основной проблемой является зависимость от моделей животных, которые неточно предсказывают эффективность трансдукции у человека; одной из попыток в этой области является разработка гуманизированных моделей мышей или моделей животных, в которых используются трансплантаты тканей человека, чтобы лучше предсказать потенциальную эффективность и успех генотерапии на основе вирусных векторов в клинике.42 Тесно связанный с эффективностью у человека иммунный ответ на вирусные векторы представляет собой значительное препятствие для внедрения генотерапии на основе вирусных векторов. Вкратце, как врожденные, так и адаптивные иммунные реакции против генотерапии на основе вирусных векторов могут возникать у пациентов, что может ограничить: (1) повторное использование одного и того же вирусного вектора из-за выработки хозяином нейтрализующих антител, которые могут изменить биораспределение и тем самым предотвратить успешное долгосрочное использование вирусных векторов, и (2) эффективность трансдукции из-за реакции иммунной системы на введенные вирусные структуры94. Важно, что понимание того, как ориентироваться и взаимодействовать с иммунной системой и, возможно, контролировать иммунный ответ, может привести к расширению областей применения генотерапии на основе вирусных векторов в клинической практике. Подходы к смягчению иммунного ответа против вирусных векторов включают в себя введение новых векторов с тканеспецифическим тропизмом,104 генную инженерию капсида путем направленной эволюции,42 изменение пути введения,105 и т.д. Вот лишь несколько новых подходов.106-108 Существуют также значительные производственные проблемы, которые ранее были подробно рассмотрены95-97, 101-103; важно, что эти ограничения в продукции и производстве могут способствовать высокой стоимости многих генотерапий на основе вирусных векторов, особенно для лечения редких заболеваний.98 Для решения этих проблем производства и изготовления новые усилия включают переход от трансфицированных клеток-продуцентов к стабильным линиям клеток-продуцентов,95 разработку процессов, позволяющих культивировать суспензию (в отличие от адгерентной культуры) линий клеток-продуцентов,96 разработку серотип-независимых процессов очистки вирусных векторов,109 и новые методологии для выявления загрязняющих белков или бактерий из запасов векторов,102 и др. В ходе поиска мы выявили более 20 недавних клинических исследований на основе вирусных векторов, которые были отозваны или прекращены; однако причины отзыва или прекращения подавляющего большинства этих исследований либо не были указаны, либо приводились общие причины (например, решение спонсора, низкий уровень накопления). В двух исследованиях были указаны конкретные причины прекращения испытания. NCT02387125, клиническое исследование лентивирусного вектора CMB305 для воздействия на дендритные клетки в качестве первичной вакцины против опухолей, экспрессирующих NY-ESO-1, было прекращено 1 июля 2020 года в связи с тем, что клиническое исследование не достигло цели по эффективности. Аналогичным образом, NCT02609984, в котором также изучался CMB305, было прекращено 7 июля 2020 года, также по причине отсутствия достижения цели эффективности. Хотя конкретные причины отсутствия эффективности не были указаны, результаты последнего исследования были опубликованы на сайте clinicaltrials.gov; в целом, эти исследования подчеркивают трудности в достижении эффективности вирусных векторов, возможно, из-за вышеупомянутых клинических проблем.
6 CONCLUSIONS


Генотерапия непосредственно корректирует/модифицирует гены и представляет собой революционный метод лечения заболеваний. Генотерапия занимает уникальное положение в терапевтическом спектре в том смысле, что это единственный подход, который потенциально может вылечить некоторые заболевания, такие как генетические нарушения. Многие продукты генотерапии, в частности, генотерапия на основе вирусных векторов, получили одобрение в клинике для лечения широкого спектра заболеваний, включая не только генетические нарушения, но и другие, такие как рак и инфекционные заболевания. В частности, недавнее одобрение продуктов на основе AAV произвело революцию в этой области и впервые предложило терапию для лечения моногенных заболеваний. Кроме того, в настоящее время проводится ряд активных клинических испытаний, в ходе которых изучаются новые методы генотерапии на основе вирусных векторов. В ходе этих клинических исследований изучаются новые типы вирусных векторов, применяются новые подходы к модификации генов (например, CRISPR-опосредованное редактирование генов), и, что более важно, расширяется терапевтический спектр генотерапии за счет новых показаний. Тем не менее, дальнейшее клиническое применение вирусной генотерапии сталкивается с производственными, биологическими и регуляторными проблемами, что требует значительных усилий со стороны доклинической, клинической и коммерческой сторон. Однако научные достижения в области разработки вирусных векторов, геномной идентификации заболеваний и редактирования генов на базовом уровне открывают новую эру вирусной генотерапии. Ожидается, что генотерапия на основе вирусных векторов останется весьма активным направлением в клинике, и на рынке появится еще больше продуктов генотерапии.