AAV腺相关病毒在心脏组织研究中的靶向策略有哪些?

心脏作为人体的核心泵血器官，其结构和功能的完整性对维持生命至关重要。近年来，以腺相关病毒（AAV） 为载体的基因治疗在心血管疾病领域取得了突破性进展。AAV介导的基因编辑、转基因表达及RNA干扰等策略已在多个动物模型中取得鼓舞人心的成果，有望为难治性心脏疾病的基因治疗提供有效的新方案。

 

心脏主要由心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞及浦肯野纤维等组成，这些细胞在电生理传导、收缩功能及组织修复中扮演不同角色。

 

心肌细胞（cardiomyocyte）：负责收缩功能，是治疗心力衰竭、心肌病等疾病的核心靶点。

心脏成纤维细胞（cardiac fibroblasts）：参与心脏结构的维持，其过度活化会导致纤维化，是抗纤维化治疗的关键靶点。

 

内皮细胞与平滑肌细胞（endothelial cells、smooth muscle cells）：构成血管系统，调控血流与血压，与冠心病、肺动脉高压等疾病密切相关。

 

浦肯野纤维（Purkinje′s fibre）：负责电信号的快速传导，与心律失常的发生息息相关。

 

选择合适的AAV血清型、启动子及注射途径，是实现高效、特异性靶向这些细胞的关键。

 

图1：心脏基本结构[1]

 

一. AAV血清型的选择

不同AAV血清型对心脏组织的亲和力存在显著差异。目前研究表明，AAV9 和 AAV6 对心肌细胞具有较高的转导效率，尤其在全身系统性注射后能广泛分布于心脏组织。AAV8 和 AAV1 也被用于心脏研究，但其组织特异性略弱于AAV9。

 

Konkal-Matt R Prasad[2]等研究者通过颈静脉注射方式使用AAV1、AAV2、AAV 6、AAV 8、AAV 9不同AAV血清型配合心肌细胞特异性启动子cTnT，以评估心肌细胞特异性基因递送的效率。实验结果表明，AAV9通过颈静脉注射可实现高效、特异性且均匀的心肌细胞表达。

 

图2： AAV血清型对心肌细胞特异性基因递送的效率[2] 

 

图3：小鼠心脏冷冻切片荧光图及基因组拷贝数[2] 

 

Jianan Wang[3]等研究者通过心肌内注射，系统比较了AAV6、AAV9及 AAV9衍生的工程化变体MyoAAVs对局部心脏递送的转导效率。实验结果表明，AAV6在小鼠心肌内注射介导的基因转导效率优于AAV9和MyoAAV4A。

 

图4：AAV6和MyoAAV4A有效转导小鼠心肌[3] 

 

二. 特异性启动子的选择

心脏中存在多种细胞类型，使用细胞特异性启动子可实现对目标细胞的精准调控，避免脱靶表达。

 

• 心肌细胞特异性启动子

Dhanya Ravindran[4]等研究者使用条形码测序方法，在体外细胞、小鼠、大鼠、猪以及羊模型中，系统比较了α-1C、α-MHC、MLC-2v、NCX、cTnT、cTnI六种心脏特异性启动子与CMV、LSP启动子在心脏基因治疗的效率和特异性。实验结果表明，α-MHC及cTnT启动子通过尾静脉注射方式在小鼠、大鼠心脏中高效表达，但是α-MHC在肝脏中严重泄露，cTnT泄露最低，证明cTnT 在心脏中高效表达的同时保持了良好的心脏特异性。在大型动物猪和绵羊中，通过心肌注射的方式同样证明了cTnT是表现最好的心肌特异性启动子。

 

图5：尾静脉注射AAV在小鼠体内的转导效率[4]

 

图6：心肌注射AAV在绵羊和猪心脏的转导效率[4]

 

Li Ni[5]等研究者开发并验证了一种基于AAV9血清型的心房特异性基因递送系统，通过眼眶后静脉注射，使用ANF启动子（Nppa启动子）实现高效、特异的心房心肌基因表达。

 

图7：AAV9-ANF-GFP 诱导心房心肌细胞特异性GFP表达[5]

 

• 成纤维细胞特异性启动子

Jamie Francisco[6]等研究者利用AAV-DJ / 8载体，通过眼眶后静脉注射，在心脏成纤维细胞（CFs）中特异性过表达 YAP，研究其在心脏纤维化和炎症中的作用。实验结果表明，AAV-hTCF21可在成年小鼠心脏成纤维细胞中实现特异性YAP过表达，驱动心脏纤维化、炎症反应和功能恶化。

 

图8：hTCF21驱动AAV在小鼠心脏成纤维细胞中表达[6]（Hsp47：成纤维细胞标志物）

 

三. 给药方式

在AAV基因治疗中，给药方式的选择将直接影响病毒的分布、转导效率和安全性。在心脏基因治疗中，目前常见给药方式为静脉注射（Intravenous injection）与心肌注射（intramyocardial injection），静脉注射包括尾静脉、颈静脉等。静脉注射适用于需要全身性或心脏广泛性表达的研究，其优势在于无创、操作简便、重复性好，特别适用于筛选具有心脏趋向性的新型AAV血清型或进行大规模表型分析。心肌注射适用于需要心脏局部高浓度、高效率表达的研究，例如研究特定心脏区域的功能、或治疗局部性心肌疾病（如心肌梗死后的修复）。缺点是技术难度大、动物创伤显著，且可能引发局部炎症反应。

 

表1：注射方式与剂量参考[2] [3]

注射方式	注射体积	病毒用量	动物模型
静脉注射	100-200μL	1E11-5E11vg/只	小鼠
心肌内注射	3~5μL/site，3-5点注射	1E11vg /只	小鼠

 

图9：心肌内注射部位示意图[7]

 

尾静脉注射

• 实验前准备
  使用尾静脉注射固定器将小鼠固定，防止其挣扎。

 

• 尾静脉腔注射
  用酒精棉球擦拭尾部进行消毒处理；将尾部拉直，用一只手固定，另一只手持注射器，针尖斜面朝上，以非常小的角度（几乎与尾部平行）刺入皮肤。进针点通常选择尾巴中下1/3或1/2处，如果失败可向尾根方向移动再次尝试或者更换血管。进针成功后缓慢、匀速地推动注射器。注射完成后，迅速拔出针头，并立即用干棉球或纱布按压注射点止血。

 

心肌内注射

• 实验前准备
  麻醉小鼠：在小鼠称重后，注射麻醉药物，放置于饲养笼内，等待约5-10min。将小鼠固定在操作台面，进行气管插管，使用注射器吹气确认胸部随呼吸起伏后，连接呼吸机。剃除左侧胸部毛发，使用酒精、碘伏消毒手术区域，铺设无菌手术布。

 

• 心肌内注射
  在左侧第4/5肋间做一个约1.5 cm的纵向皮肤切口。钝性分离皮下组织和胸肌，小心切开肋间肌，用开胸器或自制牵拉器轻轻撑开肋骨，暴露心脏。用精细镊子小心夹起并剪开心包膜，充分暴露左心室游离壁。用7-0缝合线在左心室心尖部穿一针作为牵引线，轻轻提拉以稳定心脏。使用微量注射器吸取病毒液，手持注射器，以约30°角将针尖刺入左心室壁，回抽确认无回血后缓慢注射（3~5个位点，点间距离均等），拔针后用无菌棉轻压，以防出血和病毒泄漏。

 

• 动物复苏

撤除开胸器后，逐层缝合肌肉组织、皮下组织和皮肤。监测小鼠，直到它从麻醉中完全苏醒并能够自主呼吸。断开呼吸机，移除气管插管。术后连续至少3天提供消炎镇痛药。

 

综上所述，针对心脏不同靶细胞采用注射方式、血清型及启动子推荐如表2所示，仅供参考。

 

表2：注射方式与剂量参考

细胞	启动子	注射方式	血清型
心肌细胞	cTnT、α-MHC	静脉注射[2]	AAV9、AAVmyo2A
		心肌内注射[3]	AAV6、AAVmyo2A
心房心肌细胞	ANF	静脉注射[5]	AAV9
成纤维细胞	hTCF21	静脉注射[6]	AAV9、AAV-DJ / 8

 

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疾病造模效果展示：AAV-PCSK9动脉粥样硬化小鼠模型

 

病毒名称：AAV8-ApoEHCR-hAAT-mPCSK9-D377Y (AAVRN-110001)、AAV8-stuffer (AAVRN-60006)

注射方式：尾静脉注射

注射剂量：1E12vg/只

血生化检测时间：每2周检测一次，直至第12周

油红染色检测时间：12周

 

 

 

参考文献：

1. Litviňuková, M., et al., Cells of the adult human heart.Nature, 2020. 588(7838): p. 466-472.
2. Prasad, K.M., et al., Robust cardiomyocyte-specific gene expression following systemic injection of AAV: in vivo gene delivery follows a Poisson distribution.Gene Ther, 2011. 18(1): p. 43-52.
3. Wang, J., et al., AAV6 vectors provide superior gene transfer compared to AAV9 vectors following intramyocardial administration.Mol Ther Methods Clin Dev, 2025. 33(3): p. 101532.
4. Ravindran, D., et al., High-throughput evaluation of cardiac-specific promoters for adeno-associated virus mediated cardiac gene therapy.Gene Ther, 2025.
5. Ni, L., et al., Atrial-Specific Gene Delivery Using an Adeno-Associated Viral Vector.Circ Res, 2019. 124(2): p. 256-262.
6. Francisco, J., et al., AAV-mediated YAP expression in cardiac fibroblasts promotes inflammation and increases fibrosis.Sci Rep, 2021. 11(1): p. 10553.
7. Ishikawa, K., et al., Gene delivery methods in cardiac gene therapy.J Gene Med, 2011. 13(10): p. 566-72.