肾脏病的细胞与基因治疗

Nature Reviews Nephrology

Volume 19 | July 2023 | 451–462

肾脏病的细胞与基因治疗

Jennifer L. Peek & Matthew H. Wilson

摘要

肾脏病是全球范围内导致发病与死亡的主要原因之一。当前肾脏病的干预手段包括透析与肾移植，这类疗法疗效有限、可及性不足，且常伴随心血管疾病、免疫抑制等并发症。因此，临床亟需肾脏病的新型治疗方案。值得关注的是，高达 30% 的肾脏病病例由单基因病引发，这使得这类疾病有望通过细胞与基因治疗等精准医学手段干预。糖尿病、高血压等累及肾脏的全身性疾病，也可能成为细胞与基因治疗的靶点。尽管目前已有多款针对其他器官遗传病的获批细胞与基因治疗产品，但尚无靶向肾脏的同类疗法问世。近年来，细胞与基因治疗领域取得了诸多突破性进展，肾脏研究领域亦不例外，这预示着该类疗法未来有望成为肾脏病的潜在解决方案。本综述阐述了细胞与基因治疗在肾脏病治疗中的应用潜力，重点聚焦近期遗传学研究、关键技术突破与新兴技术，并总结了肾脏基因与细胞治疗需重点考量的核心问题。

核心要点

·尽管细胞与基因治疗已在其他组织的临床治疗中应用，但目前尚无靶向肾脏的同类干预手段获批。

·约 30% 的慢性肾脏病为遗传性疾病，其遗传基础已被明确阐释，这意味着在肾脏发生不可逆损伤前，这类疾病可成为细胞或基因治疗的理想靶点。

·小鼠模型的遗传学研究证实了基因治疗在肾脏病中的应用潜力。

·治疗物质向肾脏的递送是肾脏细胞与基因治疗研发的核心障碍。

·载体技术、递送方式的革新，以及对肾脏病发病机制认知的深化，为未来肾脏细胞与基因治疗的发展带来了希望。

引言

据估算，慢性肾脏病（Chronic kidney disease, CKD）累及全球约 13% 的人群，且与高发病率、高死亡率密切相关 ¹⁻³。例如，糖尿病所致终末期肾病患者的 5 年死亡率几乎与肺癌患者相当，甚至高于结肠癌患者⁴。尽管如此，联邦资助机构、生物技术与制药企业在细胞与基因治疗领域对癌症的投入极为可观，而靶向肾脏的细胞与基因治疗临床试验却几乎处于空白状态⁵。

慢性肾脏病病情危重，学界对其病理生理机制的认知也在持续更新，但终末期的治疗手段仍极为有限。终末期肾病患者必须依赖透析或肾移植维持生命，而这类干预手段会引发心血管疾病、免疫抑制等严重并发症⁶。此外，透析仅能实现正常肾脏 5%–10% 的功能，且需要患者大幅改变生活方式，每周需接受 3 次或每日数小时的透析治疗。更严峻的是，终末期肾病患者数量远超可供移植的器官供应量，大量患者需等待数年才能获得供肾，部分患者甚至在等待中死亡。因此，临床亟需慢性肾脏病的创新治疗方案，以减轻患者与整个医疗体系的负担。

近年来，细胞与基因治疗的技术进步已成功转化为多种疾病的临床疗法，但尚无靶向肾脏的产品问世。细胞与基因治疗通过向患者体内导入细胞或遗传物质实现疾病的预防、治疗甚至治愈，这类疗法通常需要明确疾病的病理生理机制。值得注意的是，多数肾脏病的遗传病因已被阐明⁷，高达 30% 的慢性肾脏病由遗传性单基因病引发⁸,⁹，包括多囊肾病（polycystic kidney disease，PKD）、奥尔波特综合征（Alport syndrome）、胱氨酸病（cystinosis）、法布雷病（Fabry disease）、结节性硬化症（tuberous sclerosis）、吉特曼综合征（Gitelman syndrome）与胱氨酸尿症等（cystinuria）¹⁰,¹¹（表 1）。临床通常可在儿童期、慢性肾脏病发病前确诊这类单基因肾病，为肾脏损伤不可逆前开展干预提供了可能 ¹²。基因检测也可在症状出现或肾脏发生不可逆损伤前识别受累患者 ¹³,¹⁴。遗憾的是，目前针对肾脏单基因病的有效治疗手段极少，例如法布雷病的酶替代疗法，不仅价格高昂、疗效短暂，且多数患者无法获得 ¹⁵⁻¹⁷。因此，亟需通过细胞与基因治疗等创新策略填补肾脏单基因病的治疗空白。

表遗传性肾病的患病率与发病机制

部分遗传性肾病的致病基因、cDNA 长度与患病率。部分信息改编自参考文献 7。CKD：慢性肾脏病；PKD：多囊肾病。

值得一提的是，近年来细胞与基因治疗领域的成功案例均集中于比肾脏更易靶向、结构更简单的细胞与器官；但随着载体设计优化、基因递送技术升级，肾脏病细胞与基因治疗的落地已近在眼前。

本综述探讨了细胞与基因治疗在肾脏病中的治疗潜力。本文不涉及基于诱导多能干细胞的再生医学疗法或肾脏病细胞外囊泡治疗，相关内容已有其他综述阐述¹⁸⁻²⁰。本文重点聚焦已获批的细胞与基因治疗产品，以及肾脏领域正在研发的同类技术；首先介绍细胞与基因治疗的基础理论、技术细节与发展历程，随后结合其他器官与疾病的成功案例、动物模型遗传学实验结果，分析肾脏病细胞与基因治疗的应用潜力；同时综述肾脏病的细胞治疗方案，最后阐述靶向肾脏疾病的结构与载体设计考量，并总结近期技术进展与未来发展方向。

细胞与基因治疗简介

基因治疗的广义定义为利用遗传物质治疗或预防疾病，包括但不限于完整基因的插入或敲除（实现基因功能获得或缺失）、内源性基因编辑。关键的是，基因治疗仅靶向体细胞，不涉及生殖细胞，以避免生殖系突变与可遗传的基因改变。

与之相对，细胞治疗是将完整细胞导入患者体内，目标包括但不限于替代或修复受损组织 / 细胞、靶向清除病理细胞。细胞治疗的范畴广泛，从简单的未修饰细胞输注，到体外基因修饰后回输的靶向肿瘤 T 细胞疗法均包含在内。本综述仅讨论涉及基因修饰的细胞治疗。

细胞与基因治疗的实施路径

细胞与基因治疗成功的核心是将遗传物质递送至靶细胞群，靶细胞的选择由疾病的病理机制决定。基因治疗的设计方案多样，研究者可根据需求定制遗传物质的递送、整合方式与基因组编辑方法。

遗传物质可通过多种载体递送，包括裸露核酸、病毒包裹的核酸或纳米颗粒载体。导入的遗传物质可整合至基因组，或维持游离状态（附加体形式），也可作为基因序列编辑的模板。

靶细胞的修饰可分为体内修饰与体外修饰，两类方式均已获批用于临床。例如，治疗肿瘤的嵌合抗原受体（CAR）-T 细胞疗法，需在体外修饰 T 细胞后再回输至患者体内；而体内基因修饰则直接在患者体内完成，例如腺相关病毒（adeno-associated virus，AAV）载体已被用于向视网膜、肝脏递送基因，分别治疗遗传性失明与血友病。因此，细胞可先在体外完成基因修饰再回输体内干预疾病，也可直接在体内完成基因修饰。

治疗物质向靶细胞的递送是疗法成功的关键。正因如此，病毒载体在基因治疗中得到广泛应用，目前已用于多种疾病的临床治疗，核心原因是病毒相较于非病毒载体，具备更高效的细胞转染能力。

腺病毒（Adenovirus）是早期人类基因治疗使用的载体，但后续引发了免疫反应致死的严重不良事件²¹，因此腺病毒并未在遗传病的临床试验中推广。研究曾希望通过辅助依赖型腺病毒（缺失免疫原性腺病毒基因的 “无肠腺病毒”）²² 解决腺病毒的免疫原性问题，但该载体仍因衣壳蛋白的剂量依赖性免疫反应，在遗传病治疗中遭遇瓶颈 ²³。

慢病毒（Lentivirus）属于逆转录病毒，多年来一直用于 CAR-T 细胞免疫疗法的研发。除 CAR-T 领域外，慢病毒介导的基因治疗已获批用于肾上腺脑白质营养不良（cerebral adrenoleukodystrophy）与β 地中海贫血（β-thalassaemia）的治疗，通过体外修饰造血干细胞后再回输实现疗效。

细小病毒Parvoviridae科的 AAV 于 20 世纪 60 年代被发现 ²⁴，为 DNA 基因组，可高效转染多种人类细胞，且未发现与人类疾病相关。西方首个获批的 AAV 基因治疗产品为治疗脂蛋白脂酶缺乏症（lipoprotein lipase deficiency）的 Glybera（阿利泼金），随后美国获批了针对视网膜疾病、血友病的 AAV 基因治疗产品。

细胞与基因治疗的实施需满足三大条件：明确疾病的遗传基础、具备可将遗传组分递送至靶细胞的载体、治疗物质可预防或逆转病理改变。目前，获批的基因治疗方案绝大多数采用病毒载体，未来新型技术有望替代病毒成为递送载体。

获批前的发展历程

细胞与基因治疗的发展历程兼具成功与挫折。1990 年，全球首个基因治疗临床试验启动，一名 4 岁的重症联合免疫缺陷病（SCID）患者通过病毒载体接受了腺苷脱氨酶（adenosine deaminase）基因治疗²⁵。尽管该试验与早期其他基因治疗试验取得成功，但 1999 年，一名 18 岁患者因接受腺病毒载体治疗尿素循环障碍时发生严重免疫反应死亡 ²¹，导致该领域发展陷入停滞。这一悲剧推动领域强化了基因治疗临床试验的安全管控。

21 世纪初，领域逐步恢复发展，通过逆转录病毒将 γc 基因递送至 CD34⁺细胞，实现了 X 连锁重症联合免疫缺陷病的治愈性治疗 ²⁶。但后续数年中，40% 的接受治疗患者发生白血病，研究证实病因是载体整合激活了癌基因 ²⁷,²⁸。近期，一名接受 CRISPR 基因编辑治疗杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy）的患者死亡²⁹，尽管死因尚未明确，但美国食品药品监督管理局（FDA）已暂停该 Ⅰ 期临床试验。

这些试验暴露了基因治疗的研发风险，也为后续获批的新型治疗方案奠定了研究基础。截至目前，全球已有 22 款基因治疗产品、21 款 RNA 治疗产品、59 款非基因修饰细胞治疗产品获批临床应用，涵盖体外与体内治疗全品类 ³⁰，另有约 4000 款细胞与基因治疗产品正在临床研发中 ³⁰。

已获批的细胞与基因治疗产品

2012 年，欧洲获批全球首款非临床试验阶段的基因治疗产品 Glybera³¹，该疗法通过 AAV 向肌肉递送LPL基因，治疗脂蛋白脂酶缺乏症³¹，但因商业失败于 2017 年退市。2017 年，美国 FDA 批准了首批基因治疗产品，包括靶向眼部的疗法与用于肿瘤免疫治疗的 T 细胞修饰疗法。

CAR-T 细胞疗法通过基因修饰 T 细胞，使其重定向靶向肿瘤抗原 ³²，该疗法在临床试验中展现出长期潜力，最终于 2017 年获 FDA 批准，产品名为 Kymriah（替沙仑赛），利用靶向 CD19 的 CAR-T 细胞治疗急性淋巴细胞白血病。

所有整合型基因递送载体均存在基因毒性风险，CAR-T 细胞曾被认为安全性良好，但近期澳大利亚一项使用转座子系统的临床试验中，10 名患者中有 2 名发生 CAR-T 相关淋巴瘤 ³³，该不良事件的病因尚未完全明确，可能与 CAR-T 细胞的制备工艺相关 ³⁴。

自 Glybera 获批后，AAV 介导的基因治疗产品不断扩容，2017 年获批的 Luxturna（沃替西汀）用于治疗RPE65突变相关视网膜营养不良，后续又获批了治疗Ⅰ 型脊髓性肌萎缩症、B 型血友病的 AAV 基因治疗产品。

目前多款细胞与基因治疗产品已上市，但大多仅靶向视网膜、肝脏、肌肉与造血系统等特定组织（图 1）。可靶向组织类型有限的核心原因是递送路径不足、免疫原性风险与细胞靶向特异性差。例如，视网膜基因治疗的研发得益于眼部的免疫豁免特性（眼部限制炎症反应以保护视力）与递送便捷性；肝脏则因细胞类型单一（以肝细胞为主）、病毒载体转染效率高，成为易靶向器官，目前多款遗传性肝病的治疗方案正在研发中；此外，多数血液系统疾病是细胞与基因治疗的理想靶点，在白血病、淋巴瘤、多发性骨髓瘤、β 地中海贫血、血友病的临床试验中已取得成功，这类疾病可通过体外修饰患者自身细胞后回输实现治疗。

这些易靶向组织的治疗方案与靶点疾病的多元化，为基因治疗领域将技术拓展至其他组织提供了参考。若肾脏领域能借鉴这些策略，有望实现肾脏病新型治疗方案的落地。

图 1｜全球已获批的细胞与基因治疗产品

已获批的基因治疗包括体内基因转移（左图）与体外修饰细胞后回输（右图）。各类嵌合抗原受体（CAR）-T 细胞通过慢病毒或逆转录病毒载体制备。AAV：腺相关病毒；ALL：急性淋巴细胞白血病；AUS：澳大利亚；CAN：加拿大；CH：中国；DLBCL：弥漫大 B 细胞淋巴瘤；EU：欧盟；HSV-1：单纯疱疹病毒 1 型；ISR：以色列；JP：日本；PH：菲律宾；RUS：俄罗斯；SK：韩国；SWZ：瑞士；TWN：中国台湾；UK：英国；UKR：乌克兰；USA：美国。

肾脏病基因治疗的应用潜力

肾脏病细胞与基因治疗的遗传靶点极为丰富（表 1）。先天性肾病综合征最常由NPHS1或NPHS2突变引发，常导致重症病变³⁵。2010 年，研究者证实，在足细胞缺陷小鼠中诱导表达NPHS1编码的 nephrin 蛋白，可避免小鼠围生期死亡 ³⁶，该结果为先天性肾病综合征的基因治疗提供了理论依据。但该研究仅实现了不完全的表型挽救：小鼠 1 周龄时肾脏病理基本正常，6 周龄时却出现肾脏损伤与蛋白尿，推测原因与转基因表达时机、小鼠体内表达大鼠 nephrin 蛋白相关 ³⁶。尽管如此，先天性肾病综合征仍是基因治疗的潜在靶点 ³⁵。鉴于该疾病的危重性，这类新型治疗方案具有极高的临床价值，但围生期或婴儿期基因治疗的安全性要求极为严苛。

奥尔波特综合征（Alport syndrome）的病因是肾小球基底膜α3α4α5 (IV) 型胶原合成缺陷 ³⁷，由COL4A3、COL4A4或COL4A5突变引发。目前尚未在人体中实现通过基因递送恢复肾小球基底膜正常胶原表达，但在奥尔波特综合征小鼠模型中，诱导型转基因系统重新激活COL4A3基因，可恢复足细胞的α3α4α5 (IV) 型胶原表达，进而改善肾功能、延长生存期 ³⁸。该结果证实，基因治疗恢复胶原表达可在体内实现奥尔波特综合征的治疗。延缓奥尔波特综合征等遗传性肾病的进展至关重要，患者的肾脏损伤会持续累积直至终末期肾病，因此即便在肾小球基底膜发育完成后改善肾功能，对患者仍具有治疗价值。

2021 年，研究者在常染色体显性多囊肾病（ADPKD）小鼠模型中开展了类似研究，该疾病由肾小管上皮细胞PKD1或PKD2突变引发³⁹。ADPKD 是最常见的单基因肾病，全球受累患者超 1200 万⁴⁰，因此靶向PKD1或PKD2的新型疗法是肾脏细胞与基因治疗领域的重点研发方向。该研究中，研究者条件性敲除Pkd1或Pkd2诱导小鼠发生 ADPKD，随后重新诱导敲除基因的表达。该模型中，ADPKD 的核心特征（细胞增殖、炎症反应、细胞外基质沉积、内衬细胞化生）被快速逆转；在已形成多囊肾的小鼠中，重新表达PKD基因可在体内逆转 ADPKD 病变，证实基因治疗甚至可逆转已形成的多囊性病变。该结果不仅支持在疾病核心特征出现前开展基因治疗，也证实基因治疗可逆转疾病的病理进程。

肾脏病的细胞治疗

尽管间充质干细胞与再生细胞群已被提出用于肾脏病的细胞治疗²⁰,⁴¹，但本文重点聚焦基因修饰细胞群。细胞群可经基因修饰后过继性回输，直接作用于肾脏，或治疗肾脏病的并发症。

造血干祖细胞治疗

造血干祖细胞（Haematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）是肾脏细胞治疗的理想载体。一项重要研究在胱氨酸病小鼠模型中探究了 HSPCs 的治疗效果⁴²，胱氨酸病是一种溶酶体贮积病，特征为氨基酸胱氨酸在全身广泛蓄积，可累及肾脏等多个组织器官，导致肾脏永久性损伤与衰竭。研究者通过慢病毒转染使 HSPCs 表达胱氨酸转运蛋白（胱氨酸病患者病理状态下缺失的蛋白），证实转染后的 HSPCs 可分化并整合至肾脏与其他组织；重要的是，该疗法降低了全身胱氨酸含量，改善了肾功能。因此，尽管目前 HSPCs 疗法并非肾脏特异性，但对于溶酶体贮积病等多组织受累疾病，仍具备治疗潜力。

利用 HSPCs 实现肾脏靶向的功能强化（如促进肾小球胶原沉积）仍存在争议。既往研究报道，野生型小鼠的骨髓移植可在奥尔波特综合征小鼠模型中诱导胶原沉积⁴³,⁴⁴，但后续研究对此提出质疑，认为小鼠肾组织学与生存期的改善源于移植前的辐照处理，而非骨髓移植本身⁴⁵，目前辐照发挥作用的机制尚未明确。

后续研究在奥尔波特综合征小鼠模型（Col4A3敲除）中探究了多种细胞治疗方案⁴⁶，研究者分别输注野生型骨髓、野生型全血、人胚胎干细胞三种细胞制剂，评估其对肾脏病进展的影响。结果显示，三种细胞治疗均能诱导小鼠新生 α3 (IV) 型胶原表达，减少蛋白尿与组织学损伤；重要的是，该治疗效果在未接受辐照或预处理的小鼠中仍可实现，证实了该方案向临床转化的潜力。总体而言，尽管该领域仍存在争议，但上述研究提示 HSPCs 疗法有望成为肾脏病的治疗策略。

体外修饰自体细胞后回输是细胞治疗的另一重要方向，该策略可降低免疫原性与排斥反应风险。为评估体外修饰自体细胞的临床效果，近期一项研究在法布雷病（Fabry disease）患者中开展了慢病毒转染治疗⁴⁷，法布雷病由 α- 半乳糖苷酶 A（α-gal A）缺陷引发，长期可导致肾脏损伤。研究者从 5 名患者体内分离 HSPCs，经基因修饰使其表达 α-gal A 后回输至患者体内；治疗 1 周内，所有患者的病情严重程度均降低，α-gal A 活性接近正常水平，血浆与尿液中蓄积的球三糖基神经酰胺（Gb3）水平下降。该结果为溶酶体贮积病（累及肾脏等多器官）的体外细胞治疗提供了早期临床证据，也证实类似方案可用于其他肾脏疾病的治疗。

T 淋巴细胞介导的细胞治疗

另一大类细胞治疗聚焦于修饰淋巴细胞实现细胞毒性或治疗效应，其中一种应用是靶向递送特定蛋白。2017 年的一项研究采用非病毒转座子系统修饰 T 细胞，使其成为长效肽递送平台⁴⁸；该研究利用 piggyBac 转座子系统修饰小鼠 T 细胞使其表达促红细胞生成素，随后回输至小鼠体内，结果显示血细胞比容持续升高超 20 周，且该效应可通过疫苗强化。这种非病毒修饰 T 细胞的方案，有望应用于法布雷病等累及肾脏的激素 / 肽缺陷疾病，或肾脏病并发症的治疗。

病毒修饰 T 细胞同样可作为递送必需酶或肽的有效方案。近期研究构建了名为 “微型药房” （micropharmacies）的细胞递送载体，通过慢病毒载体体外修饰 CD4⁺T 细胞⁴⁹；修饰后的 T 细胞经雷帕霉素预处理（雷帕霉素是一种免疫抑制剂，可提升 T 细胞存活率与记忆能力、减轻炎症反应）。研究者在法布雷病等多种溶酶体贮积病中探究了 “微型药房” 的治疗潜力，在法布雷病小鼠模型中递送 α-gal A 后，小鼠体内 α-gal 活性高于野生型水平，全身 Gb3 水平下降。总体而言，体外修饰 T 细胞实现治疗性物质递送，是靶向溶酶体贮积病等全身性疾病的潜力策略，但该方案在免疫治疗领域外的长期效应仍需进一步研究。

HSPCs 与 T 细胞均可作为治疗性蛋白的血液递送载体，这类方案可通过旁观者效应（bystander effects）发挥作用—— 治疗性蛋白在非靶细胞表达后，可被靶细胞摄取。但该方案不适用于结构蛋白的递送与表达。

可植入装置相关细胞治疗

可植入装置有望实现器官或重要器官功能的替代，人工肾是典型代表，但生物工程构建功能性肾脏仍面临诸多挑战⁵⁰。人工肾需模拟正常肾脏功能，依赖功能细胞实现盐与水的重吸收；但肾小管细胞脱离体内微环境体外培养时，会因关键转运蛋白表达缺失，丧失模拟体内功能的能力⁵¹。

为克服这一障碍，研究者通过基因工程技术强化肾上皮细胞的液体转运功能⁵²，具体为使肾细胞过表达钠氢交换蛋白 3 与水通道蛋白 1，经液体转运功能实验证实，细胞的容积转运能力显著提升。这类细胞修饰技术可大幅提升人工肾的盐与水重吸收效率，实现与体内天然肾脏相近的功能。

此外，研究者修饰体外培养的近端肾小管细胞，使其稳定表达有机离子转运蛋白（OAT1、OAT3），提升了细胞用于药物毒性筛选的能力⁵³。因此，体外培养的肾小管细胞可经基因修饰，更贴近体内微环境的功能状态。重要的是，调控肾脏转运功能不仅适用于遗传性肾病，也适用于转运功能异常的急性、慢性肾损伤；靶向肾脏转运的细胞治疗可应用于多种疾病与患者，因此转运功能调控是肾脏细胞治疗的重要研究方向。

技术考量

靶向性

肾单位是结构高度复杂的功能单元，包含多种特化细胞类型，这也是肾脏基因治疗相较于其他组织更难实现的原因之一。与肝细胞占组织 80% 以上的肝脏不同，肾脏内至少存在 26 种独特的细胞类型⁵⁴。因此，将治疗物质递送至肾脏特定区域的特定细胞类型，是肾脏基因治疗的核心障碍。

值得注意的是，遗传性肾病可累及肾单位的所有部位，这意味着治疗肾脏病需靶向其中任意一种细胞类型（图 2）。传统病毒无法高效转染肾脏，提示肾脏缺乏已知病毒受体的表达或受体难以被靶向，进一步增加了病毒靶向肾单位关键部位的难度。工程改造新型病毒衣壳或颗粒以靶向特定肾脏细胞类型，有望克服这一障碍。

图 2遗传性肾病在肾单位（肾脏基本功能单位）中的靶向部位

可作为细胞与基因治疗靶点的主要遗传性肾病，在肾单位结构的各类细胞中均会出现病变。

遗传学

开展基因治疗需考量多重遗传学因素：启动子元件的选择（泛表达启动子、组织 / 细胞特异性启动子或增强子）、转基因 cDNA 的密码子优化、是否添加土拨鼠肝炎病毒转录后调控元件等增强表达的序列，且所有元件需适配载体的包装容量。另一重要考量是遗传物质是否需要整合至基因组：分裂期靶细胞需要遗传物质整合，而静息非分裂期靶细胞可长期维持游离态遗传物质。

可及性

肾小球的尺寸截留效应是肾脏治疗设计的另一大障碍。血液中的颗粒经肾小球滤过进入尿腔，需依次穿过孔径 80–100nm 的肾小球内皮⁵⁵、孔径 3nm 的肾小球基底膜⁵⁶,⁵⁷、间隙 32nm 的足突足细胞⁵⁸。因此，学界普遍认为尺寸大于 10nm、分子量大于 50kDa 的颗粒会被肾小球屏障主动截留⁵⁹。

如前文所述，病毒载体是当前基因治疗最常用的递送载体，但需考量三类最常用载体的尺寸限制（图 3）：腺相关病毒（AAV）尺寸最小，约 25nm；腺病毒尺寸最大，可达 100nm。

除尺寸截留效应外，仅有少数病毒血清型可靶向肾脏，因此需要更高的病毒剂量才能实现有效作用。肾脏表达常见病毒受体，例如 AAV 的 AAVR/KIAA0319L⁶⁰、慢病毒 VSV-G 假型的低密度脂蛋白受体（LDLR）⁶¹，提示受体的亚细胞定位或肾脏结构可能是病毒转染效率低的原因。

图 3肾脏病细胞与基因治疗的载体考量

病毒与非病毒载体的尺寸、包装 DNA/RNA 容量存在差异。部分载体可通过衣壳、包膜或颗粒改造靶向特定细胞或组织。不同载体的免疫原性存在差异。核酸递送均存在整合可能性，概率因载体类型而异。整合是慢病毒递送的固有特征，其他载体虽概率低但仍可能发生。AAV：腺相关病毒；ds：双链；ss：单链。

综合上述考量，纳米颗粒是极具潜力的递送方式，其尺寸可在 1nm 至 400nm 间调控，且形状与表面可修饰，能强化对特定肾脏细胞类型的靶向性。

克服肾小球滤过限制的关键是寻找载体进入肾脏的替代路径。肾单位可通过多种注射路径实现递送，包括经肾动脉顺行递送、经输尿管逆行递送、全身给药、肾实质内给药。每种递送路径均有优势，不同注射技术可强化对肾脏特定细胞类型的靶向。例如，经输尿管或肾盂逆行注射可从尿腔腔面靶向肾小管上皮，经血管内皮的颗粒可从基底侧靶向肾小管上皮；此外，肾脏的高血流量可使循环中的载体更易接触肾脏，相较于血流量较低的组织更具优势。

最后，尽管肾脏局部注射可提升基因与细胞治疗的靶向特异性，但全身给药更易向临床转化。未来需研发肾脏靶向治疗载体的革新技术，并优化单一疗法的给药路径，以最大化治疗效果、降低毒性与脱靶效应。尽管多年来已尝试多种递送方法，但均未实现足够高的转染效率，无法成为肾脏基因治疗的主流方案⁵⁹。

载体类型

载体选择需在病毒与非病毒载体间权衡，若选择非病毒载体，还需确定是否使用纳米颗粒、脂质体等递送剂（图 3）。另一重要考量是靶患者人群是否存在针对基因递送载体的预存免疫，若存在，大量患者将无法接受该疗法。所有考量均存在利弊，一款基因治疗进入临床前，需对各类方案进行全面评估。

载体选择需综合考量包装容量、免疫原性差异、遗传物质是否维持游离态或整合至基因组（图 3）。腺病毒载体多年来用于肾脏基因转移研究，但效果参差不齐⁵⁹，该载体用于肾脏病临床治疗的前景尚不明确，相关内容已有综述阐述⁵⁹。本文重点聚焦已在其他组织实现临床应用的肾脏治疗载体。

慢病毒与逆转录病毒载体是常用的基因递送工具。尽管慢病毒对肾脏的转染效率较低⁶²，但近期研究通过输尿管逆行注射携带CLCN5的慢病毒，使 Dent 病（CLCN5突变引发的肾脏疾病）小鼠模型的症状改善持续数月⁶³。慢病毒与逆转录病毒可转染分裂期细胞，而肾脏多数细胞为终末分化细胞，这限制了其对肾脏组织的转染效率。载体整合至基因组是这类病毒的生命周期特征，虽有利于转基因的长期表达，但也存在基因毒性风险。尽管如此，对于肾小管细胞等存在更新的肾脏细胞类型，载体整合具有一定优势。但若无法实现肾脏靶向特异性，载体在肾外细胞的整合会引发脱靶毒性。

通过改造包膜假型化⁶⁴,⁶⁵、连接单克隆抗体⁶⁶或其他靶向基团⁶⁷，可实现慢病毒对其他细胞类型的重靶向。未来研究需优化慢病毒的肾脏重靶向技术，提升转染效率。

AAV 已成为体内人体基因治疗的主流病毒载体，多款产品已获批临床应用。尽管已筛选出高效靶向肝脏、视网膜、肌肉的 AAV 血清型，但仅有少数血清型可在肾脏定位。多项研究证实，AAV 对肾脏的转染效率差异较大⁶⁸⁻⁷⁷，因此尚未在肾脏领域广泛应用。例如，AAV9 在肢端发育不全小鼠模型中，可实现肾皮质肾小管 70% 的转染效率，并逆转疾病症状⁷⁸，但其他研究未重复出 AAV9 在肾脏的成功转染结果。

另一项检测 6 种 AAV 血清型的研究中，新型 AAV 血清型可转染肾脏间充质细胞（周细胞、成纤维细胞、系膜细胞），但 AAV9 未实现肾脏转染⁷⁹。近期一项研究在非人灵长类体内注射 ¹²⁴I 标记的 AAV，检测其生物分布，结果显示 AAV9 与 AAVrh.10 均未被肾脏摄取⁸⁰。因此，需对 AAV 衣壳进行重新工程改造，才能实现 AAV 对肾脏的高效转染。

AAV 因安全性优势成为优选载体，但其包装容量小于腺病毒与慢病毒，这是临床应用的重要限制。AAV 的 DNA 可制备为单链或自互补型，包装容量分别为 4.7kb 与 2.3kb⁸¹，该容量小于多囊肾病、奥尔波特综合征等常见遗传性肾病的转基因长度（表 1）。

为克服这一问题，可通过反式剪接或重组核酸序列，将大片段转基因拆分为小片段在细胞内拼接。研究者已成功研发反式剪接 AAV，在细胞内重组为大片段转基因⁸²⁻⁸⁵，但该技术在完整动物体内的效果仍有限⁸⁶,⁸⁷。

重组 AAV 的整合被认为概率极低，但小鼠研究中曾报道 AAV 基因递送后发生肿瘤⁸⁸⁻⁹²。尽管天然 AAV 血清型对肾脏的转染效率较低，但高灵敏度转染检测方法证实，AAV 对肾脏的转染效率可能被低估⁹³。部分研究报道，输尿管逆行注射 AAV 转染肾小管细胞的效率，高于静脉注射⁷³。

受限于当前病毒靶向技术的瓶颈，肾脏转染可能需要高剂量 AAV，但近期高剂量 AAV 治疗导致患者死亡的报道引发了安全担忧⁹⁴。AAV 衣壳工程改造已实现载体对多种组织与细胞类型的重靶向⁹⁵⁻⁹⁹，该技术有望研发出肾脏靶向型 AAV，为肾脏研究者打开基因治疗的新方向。总体而言，病毒载体是多组织、多疾病基因治疗的首选，筛选更高效靶向肾脏的病毒血清型、阐明转染效率提升的机制，是未来病毒载体肾病治疗的核心研究方向。

纳米颗粒等非病毒载体，因尺寸可调控、免疫原性低于病毒载体（图 3），在肾脏递送中具备优势，同时还具有生产成本低、结构组分灵活的特点。多年来，研究者已尝试多种肾脏靶向非病毒基因递送方案，包括脂质体 ¹⁰⁰,¹⁰¹、超声联合微泡 ¹⁰²⁻¹⁰⁴、多种血管内裸露 DNA 注射 ¹⁰⁵⁻¹⁰⁷、肾盂水力注射 ¹⁰⁸。

近年来，多款纳米颗粒递送技术被研发以克服体内肾脏递送的障碍，例如靶向近端肾小管的介观纳米颗粒，肾脏摄取率是其他组织的 26–94 倍 ¹⁰⁹；研究者还研发了靶向巨蛋白的近端肾小管纳米载体（巨蛋白是介导近端肾小管蛋白摄取的大分子量受体）¹¹⁰。靶向近端肾小管核因子 κB 必需调节因子的介观纳米颗粒，在急性肾损伤小鼠模型中展现出治疗效果 ¹¹¹。这类纳米载体的肾脏特异性与无毒性特征，具备临床转化潜力，可用于近端肾小管上皮疾病的治疗。理论上，纳米颗粒可在体内向靶细胞递送药物、RNA、蛋白质或 DNA，但目前 DNA 递送的效果仍不理想。

新兴技术与未来进展

细胞与基因治疗实现肾脏高效靶向、长期表型纠正的前景十分乐观。过去一年，多项研究展现了领域的技术革新与肾脏病理生理机制认知的深化。

常染色体显性多囊肾病（ADPKD）是最常见的单基因肾病（表 1），近期对其病理机制的新认知为基因治疗等新型疗法带来了希望。2022 年的一项研究探究了 ADPKD 主要突变基因PKD1与PKD2的抑制作用¹¹²。在 ADPKD 小鼠模型中，未失活的Pkd1拷贝产生的 mRNA 会因 3' 非翻译区（UTR）的顺式结合被抑制；通过 CRISPR-Cas9 编辑切除该 3'UTR 区域，或利用寡核苷酸抑制该区域，可减小囊肿体积、抑制囊肿生长。抑制Pkd2未失活拷贝的 3'UTR 区域，同样可减轻疾病病理。该研究证实的稳健机制，为 ADPKD 基因治疗提供了多重研发路径，基因编辑与寡核苷酸递送均可调控疾病进展。

肾脏基因治疗的病毒与非病毒方案均取得了重要进展。一项研究研发了新型非抑制型纤溶酶原激活物抑制剂 1R（PAI-1R）包被的纳米颗粒，可特异性靶向肾小球系膜细胞 ¹¹³。该纳米颗粒包裹小干扰 RNA，在人系膜增生性肾小球肾炎大鼠模型中沉默转化生长因子 β1（TGFβ1）。全身使用 TGFβ1 抑制剂可有效延缓慢性肾脏病进展，但 TGFβ1 是关键抗炎因子，因此存在严重的炎症风险 ¹¹⁴。

肾脏靶向的关键优势在于，PAI-1R 包被的纳米颗粒可穿过肾小球血管窗孔靶向系膜细胞，绕过肾小球滤过屏障的尺寸限制。单次注射纳米颗粒后 5 天，大鼠肾功能显著改善，尿蛋白排泄与肾小球基质沉积明显减少；此外，肾小球与肝脏的 TGFβ1 蛋白与 mRNA 水平被显著抑制，而肺、脾、动脉、肾髓质组织无明显变化。尽管该研究以肾小球肾炎为模型，但肾小球靶向纳米颗粒可改造后用于多种肾小球疾病（包括遗传性与获得性病变）的治疗。

可编程核酸酶可实现多种基因组操作，具备临床应用潜力，包括 CRISPR-Cas9、转录激活样效应因子核酸酶、锌指核酸酶，可诱导基因组靶向双链断裂，激活易错的非同源末端连接通路，或模板依赖的同源定向修复 ¹¹⁵。碱基编辑可实现 DNA 或 RNA 碱基的定向改变，纠正突变或调控表达 ¹¹⁶。先导编辑将催化缺陷型 Cas9 与逆转录酶融合，向导 RNA 编码靶向序列与编辑模板 ¹¹⁷。目前已有多项 CRISPR 临床试验靶向多种疾病 ¹¹⁸，最终 CRISPR-Cas 在肾脏基因递送中的应用，取决于对肾脏的有效递送效率。

目前已出现无需直接递送转基因即可调控基因转录或蛋白质翻译的技术，例如反义寡核苷酸可在 X 连锁奥尔波特综合征小鼠模型中实现外显子跳读，改善胶原表达与小鼠生存期 ¹¹⁹；AAV 可递送抑制型 tRNA，在体内实现无义突变的通读 ¹²⁰。这类方案能否向临床转化仍需进一步验证。

病毒载体设计的重要进展提升了肾脏基因治疗的可行性。病毒假型化（利用其他病毒的包膜蛋白制备病毒载体）可改变现有病毒血清型的靶向特异性¹²¹,¹²²。为提升慢病毒的肾脏靶向性，近期研究利用寨卡病毒包膜假型化慢病毒（该包膜对肾小管上皮细胞具有亲和力）¹²³；有趣的是，该假型化病毒 ZIKV-E 对肾小管上皮细胞的转染效率，是慢病毒包膜对照组的 100 倍。ZIKV-E 对肝脏、脑、心脏、脾脏也具有高转染效率，因此需进一步改造假型化包膜以实现肾脏选择性靶向。

除病毒包膜假型化外，病毒衣壳工程改造也是提升细胞与基因治疗肾脏特异性的重要路径¹²⁴,¹²⁵。对多样化衣壳文库的高通量筛选，可筛选出肾脏靶向型病毒；此外，鉴定促进肾脏转染的关键肽段，是阐明肾脏转染机制、提升肾脏细胞与基因治疗效率的核心。

过去几十年，肾脏细胞与基因治疗的病毒与非病毒方案均取得了大幅进步，但在实现临床应用前，仍需克服靶向性、效率、持久性的核心障碍。

若治疗成本过高，细胞与基因治疗的技术进步也无法落地。当前上市产品的单剂成本高达数十万美元至数百万美元¹²⁶，学界希望通过生产工艺优化、产品可及性提升降低成本。从基础与转化研究者，到制药企业与政策制定者，均需开展大量工作，以实现这类疗法对患者的可及性与公平性。

结论

肾脏病的细胞与基因治疗仍处于起步阶段。尽管多年来已在多种动物模型中尝试肾脏基因递送，但遗传物质向肾脏的递送仍是核心障碍。肾脏以外疾病的获批细胞与基因治疗产品、所用载体，可为肾脏领域提供参考；但针对这一结构复杂、功能重要的器官，仍需开展突破性研究。

目前，几乎所有肾脏病均仅采用支持性治疗，未使用靶向病因的分子治疗，这与肾脏病的高疾病负担、高发病率与死亡率极不匹配。大量患者正等待肾脏病细胞与基因治疗的突破，以改善生活质量、延长生存期。希望在不久的将来，安全有效的肾脏病细胞与基因治疗方案将问世，彻底改变慢性肾脏病及其并发症的治疗格局。