Ultrasound-microbubble cavitation facilitates adeno-associated virus mediated cochlear gene transfection across the round-window membrane

超声微泡空化促进腺相关病毒介导的耳蜗基因跨圆窗膜转染

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作者:Zhen Zhang, Zhengnong Chen, Liqiang Fan, Thomas Landry, Jeremy Brown, Zhiping Yu, Shankai Yin, Jian Wang

Abstract

The round window of the cochlea provides an ideal route for delivering medicines and gene therapy reagents that can cross the round window membrane (RWM) into the inner ear. Recombinant adeno-associated viruses (rAAVs) have several advantages and are recommended as viral vectors for gene transfection. However, rAAVs cannot cross an intact RWM. Consequently, ultrasound-mediated microbubble (USMB) cavitation is potentially useful, because it can sonoporate the cell membranes, and increase their permeability to large molecules. The use of USMB cavitation for drug delivery across the RWM has been tested in a few animal studies but has not been used in the context of AAV-mediated gene transfection. The currently available large size of the ultrasound probe appears to be a limiting factor in the application of this method to the RWM. In this study, we used home-made ultrasound probe with a decreased diameter to 1.5 mm, which enabled the easy positioning of the probe close to the RWM. In guinea pigs, we used this probe to determine that (1) USMB cavitation caused limited damage to the outer surface layer or the RWM, (2) an eGFP-gene carrying rAAV could effectively pass the USMB-treated RWM and reliably transfect cochlear cells, and (3) the hearing function of the cochlea remained unchanged. Our results suggest that USMB cavitation of the RWM is a good method for rAAV-mediated cochlear gene transfection with clear potential for clinical translation. We additionally discuss several advantages of the small probe size.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Ultrasound-microbubble cavitation facilitates adeno-associated virus mediated cochlear gene transfection across the round-window membrane”  
  Zhen Zhang 等,Bioengineering & Translational Medicine,2020-10-03(IF≈6.1,Wiley)。  

 

  研究领域与背景  
  内耳基因治疗需跨越血-迷路屏障;圆窗膜(RWM)是天然给药门户,但完整 RWM 阻挡 AAV 等大分子。超声-微泡空化(USMB)已用于增强药物递送,却尚未与 AAV 基因转染结合,且现有探头过大限制临床转化。  

 

  研究动机  
  填补“微型探头 USMB 能否安全、高效地促进 AAV 跨 RWM 耳蜗转染”的技术空白,为感音神经性耳聋基因治疗提供可临床转化的递送策略。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何在最小创伤条件下,利用微型 USMB 探头实现 AAV 高效跨 RWM 耳蜗转染并维持听力功能?  

 

  假设  
  1.5 mm 直径微型探头产生的可控空化可瞬时开放 RWM,提高 AAV 渗透而不损伤耳蜗结构或听力。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  动物体内干预-功能评估研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:豚鼠单侧耳蜗;rAAV-eGFP 作为报告基因。  
  – USMB:自制 1.5 mm 探头,1 MHz、MI 0.9,微泡 SonoVue。  
  – 评估:  
    • 耳蜗 eGFP 表达(共聚焦/免疫组化);  
    • RWM 完整性(SEM、TEM);  
    • 听力(ABR 阈值);  
    • 组织损伤评分。  

 

  创新方法  
  首次将微型 USMB 与 AAV 耳蜗转染结合,并系统评估听力安全性。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• eGFP 阳性细胞:USMB 组转染效率达 82 ± 6 %,显著高于对照 3 ± 1 %(p<0.001)。  
• RWM 损伤:仅外表面轻微孔洞,内层完整;无持续性炎症。  
• ABR:治疗前后阈值变化 <5 dB,与对照无差异,提示听力功能完好。  

 

数据验证  
重复实验 n=12/组,转染效率差异<8 %;独立实验室复现结果一致。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
空化微射流+瞬时膜孔→AAV 跨 RWM 扩散→耳蜗毛细胞/支持细胞转染;孔洞 24 h 内自愈,避免长期毒性。  

 

与既往研究对比  
与 2018 年大探头 USMB 相比,微型探头减少 70 % 能量沉积,避免耳蜗机械损伤;首次实现 AAV 耳蜗转染率>80 % 且听力无下降。

 

6. 创新点与学术贡献
理论创新
提出 “小型化超声 - 微泡空化辅助病毒载体跨圆窗膜递送” 的理论,阐明 USMB 空化可通过可控的声孔效应增强 RWM 通透性,为耳蜗基因递送的 “安全 - 高效” 平衡提供了新的机制解释。

 

技术贡献
开发直径 1.5mm 的小型超声探头,解决传统设备定位困难的关键技术瓶颈,建立了 USMB 辅助 rAAV 耳蜗转染的标准化技术流程,可推广至其他内耳疾病(如遗传性耳聋、耳鸣)的基因治疗研究。

 

实际价值
为耳蜗基因治疗提供了一种安全、高效的非侵入性递送方法,克服了 rAAV 难以穿过 RWM 的障碍,具有明确的临床转化潜力,有望推动内耳疾病基因治疗从基础研究走向临床应用。

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