試想未來的一個治療場景：非酒精性脂肪肝慢性疾病患者每天只需要透過特製電子煙或專用霧化器定時定量吸入香氣分子，就可以在體內長期表達治療蛋白，避免了傳統的注射或口服藥物的治療方式，治療過程變得輕鬆無痛且依從性高。這樣的治療場景如今已不再是幻想，科學家們已在小鼠體內成功實現該設想。
2024年2月6日，華東師範大學醫學合成生物學研究中心葉海峰團隊在Nature Communications期刊發表了題為：AAV-delivered muscone-induced transgene system for treating chronic diseases in mice via inhalation 的研究論文。
該研究成功開發了“香氣分子”麝香酮 （muscone） 調控的基因表達精準控制系統，並將其裝載在腺相關病毒（AAV）載體中（命名為AAVMUSE），實現無針無痛、患者依從性高的可控式基因療法。以“聞香”這種便捷的方式控制治療藥物的表達釋放，為臨床治療慢性疾病提供了一種全新策略。
論文通訊作者，華東師範大學生命科學學院研究員葉海峰表示，我們利用臨床批准的基因治療載體系統提前將“基因開關”匯入體內，透過“聞香”遠端開啟體內的“基因開關”，表達治療蛋白。這項技術在治療慢性疾病（如非酒精性脂肪肝病和過敏性哮喘）方面顯示出潛力，為未來人類疾病的治療提供了一種新穎的治療策略。
AAVMUSE介導的“聞香”療法用於慢性疾病的治療
為AAV介導的基因治療裝上“按開關的手”
合成生物學是利用工程學的思想，對生命體進行設計改造。利用合成生物學方法，各種人工基因線路控制系統和生物感測器系統被設計開發出來。當這些控制系統與基因治療、細胞治療相結合，可對基因或細胞行為進行精準控制，實現智慧可控的基因治療和細胞治療。
葉海峰團隊受中國千年香道文化的啟發，基於中藥材麝香的主要活性成分——麝香酮（muscone）具有迷人的香氣和揮發性的特點，利用合成生物學的理念，創造性地開發出“聞香”控制的人工基因線路開關。
圖 1 ：AAV介導的麝香酮調控基因環路工作示意圖
麝香酮“開關”如何實現 “聞香治病”？
芳香療法在日常生活中常用於心理疾病治療，透過吸入芳香精油，能夠緩解壓力，舒緩心情。研究者試想能否將該“聞香療法”應用於慢性疾病中？麝香酮是中藥材麝香的主要活性成分，是一種具有揮發性和香氣的臨床藥物，已被國家批准用於食品、藥品、以及香水中。
鑑於麝香酮的安全性、揮發性，研究人員基於感應麝香酮的小鼠嗅覺受體MOR215-1和合成的cAMP響應的啟動子（PCRE），成功構建了低背景、高誘導的麝香酮調控的基因環路（muscone-regulated gene circuit, MUSE）（圖2）。體外驗證結果顯示，麝香酮與細胞在沒有直接接觸的情況下，麝香酮自身的揮發性，可以實現遠端調控基因的表達。
圖 2 MUSE的工作原理圖
MUSE經AAV病毒載體，遞送至小鼠體內可實現長期調控效果
基因治療載體腺相關病毒（AAV）已被美國食品和藥物管理局（FDA）批准作為臨床基因治療載體，該載體安全性高，免疫原性低，體記憶體留時間長，血清型多，且具有組織特異性。但是AAV遞送的基因會持續過量表達，產生毒副作用，基於上述問題，研究團隊試圖將可控式基因環路與基因治療相結合，以實現精準基因治療的設想。
因此，將麝香酮調控基因環路裝載在AAV病毒載體中，設計構建了AAV介導的麝香酮調控的基因環路（AAVMUSE），利用AAV的多器官靶向性將該環路轉導至肝臟或肺部，透過定期“聞香”實現長期精準控制蛋白藥物的表達釋放（圖3和圖4）。
圖3：AAVMUSE在小鼠肝臟中實現長達28周的調控效果
圖4：AAVMUSE在小鼠肺部實現長達20周的基因表達調控
AAVMUSE在以及過敏性哮喘模型中的治療
目前慢性疾病的治療通常需要反覆注射或口服藥物，這導致患者的依從性差，且藥物毒副作用大，迫切需要開發安全可靠以及患者依從性高的治療策略。研究者將AAVMUSE應用於非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）和過敏性哮喘（allergic asthma）疾病的治療中。
實驗結果顯示，在非酒精性脂肪性肝炎（NAFLD）模型小鼠中，AAVMUSE經AAV2/9遞送至肝組織後能夠精準調控ΔhFGF21產生，並實現長達28周的治療；在過敏性哮喘模型小鼠中，AAVMUSE經AAV2/6和AAV2/lung聯合遞送至肺組織後能夠精準控制ΔmIL-4產生, 成功預防該疾病發展。僅注射一次AAVMUSE，而後透過每週定時定量吸入麝香酮即可原位精準、持續地誘導治療蛋白表達，達到“聞香”治療慢性疾病的目的（圖5）。
圖5：麝香酮調控系統在慢性疾病治療中的應用
綜上，該研究中所構建的芳香小分子麝香酮調控基因環路可實現遠端誘導、高效精準調控基因表達，為合成生物學提供了新的調控工具，也為可控性的基因治療研究提供了新方法，有助於推動基因療法在精準醫學中的應用。這項研究開發的“聞香”基因療法也為慢性疾病提供了一種無創無痛的治療方式，為未來開發更有效、更安全、更精準的個性化疾病治療方法奠定了基礎。
華東師大生命科學學院2023屆博士畢業生武鑫、2020屆博士畢業生於袁歡、副研究員王美豔為該論文的第一作者，葉海峰教授為該論文的通訊作者。該研究受到了上海市科委、國家自然科學基金委、國家重點研發計劃的支援。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45383-z
