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从罕见病到常见病,我们为什么需要基因疗法?

无论是基因编辑还是基因修饰,它们都给罕见病提供了新的治疗方案,为人类寿命的延长和生存率的提高提供了更多可能。

文|陈根

基因疗法听起来是一个充满了未来感的词汇,但事实上,基因疗法开始应用于人类疾病治疗可以追溯到上个世纪70年代。1972年,《科学》杂志上一篇题为“Gene Therapy for Human Genetic Disease?”的文章正式提出了基因疗法,这种疗法被认可作为人类遗传疾病的一种治疗方式。

此后的几十年间,关于基因治疗的研究数量激增。尽管基因疗法也曾经历辉煌和暗淡,但在长足的研究下,基因疗法逐渐褪去光环与污名,成为人类对抗疾病的重要武器。

日前,美国再生医学联盟(Alliance for Regenerative Medicine, ARM)发布了名为“新冠疫情下的创新”的2020年上半年报告。报告指出,再生医学领域(包括基因疗法,利用基因工程改造的细胞疗法,细胞疗法,和组织工程)在新冠疫情的挑战面前展现了出色的韧性。2020年上半年,全球这一领域完成的融资金额达到107亿美元,超过2019年全年的融资金额。

疫情下基因疗法的逆势增长原因何在?从罕见病到常见病,我们为什么需要基因疗法?

我们为什么需要基因疗法?

人类的疾病可以粗略地分为三种类型。第一类是由遗传因素主导的疾病,也就是我们通常所说的遗传病。大多数遗传病的发病率非常低,通常在千分之一到百万分一之间。第二类疾病是由于环境因素主导的疾病 (受遗传因素影响的程度非常小),比如细菌感染,病毒引起的普通感冒,或者骨折。而第三类疾病则是由遗传因素和环境因素共同主导的疾病,比如癌症、高血压。

对于第二类疾病,受环境因素主导由细菌或病毒感染引起,由于抗病毒药物、抗生素的存在以及人体强大的免疫系统的作用可以被完全治愈。而类似癌症,阿尔茨海默病等由多基因以及环境因素共同主导的第三类疾病,或单纯由遗传因素主导的第一类疾病,以现代的医学水平想要实现治愈却依旧困难。

对于遗传因素主导的疾病,尽管小分子化药和大分子抗体类药物已经取得了很大的成功,但这些药物的发展也面临着诸多困境,比如小分子化药有着组织分布、亲和力等等难题。而抗体类药物的作用靶点多位于膜表面,对于胞内靶点甚至是染色体上的核酸靶点束手无策,且为了维持人体稳态,往往需要长期输入治疗性蛋白质。但是,治疗性蛋白质开发难度大,对于很多患者来说,终身注射是一件很痛苦的事情。

因此,基因疗法作为一种可以实现治疗性蛋白的长期表达和组织特异性表达的治疗方法应运而生。以实现治疗传统药物不能治疗的疾病,或大幅改善治疗疾病的方式。事实上,面对很多先天性遗传的疾病,这似乎是许多患者唯一的希望。

在基因疗法被提出后的多项临床研究取得突破性进展下,1990年,一个患有ADA-SCID疾病的4岁小女孩儿阿珊蒂接受了基因替代疗法的治疗。这是一种由于腺苷脱氨酶(ADA)缺陷所导致的严重综合性免疫缺陷疾病。对阿珊蒂来说,周围的世界无处不存在着危险。哪怕和普通人共饮一杯水,甚至是在同一间房间里呼吸,都可能会带来致命的后果。

科学家们使用病毒载体作为递送方法,通过体外基因工程,将健康的ADA基因导入到她自身细胞中,并将编辑后的细胞重新注射回她的体内。在治疗的半年内,阿珊蒂体内的免疫T细胞水平就恢复了正常。在接下来的2年里,她的健康状况不断得到改善,过上了和同龄人几乎没有差异的童年。

这一案例被认为是基因治疗发展史上一个重要的里程碑,科学家们通过人体试验完成了对基因疗法的概念验证,证明了基因治疗的安全性和可行性,鼓舞了更多的临床试验的开展。但短暂的辉煌并没有持续太久,1999年,首位在基因疗法中死亡的患者出现。在接受基因治疗后,这位患者出现了致命的免疫应答。

随后一系列的早期试验结果接连暴露基因治疗严重的副作用,包括针对载体的免疫反应以及载体介导的原癌基因插入激活引起的恶性肿瘤等,这一系列的负面报道无疑让基因治疗在一时间陷入低谷。

这些失败的案例也让研究者们开始反思基因治疗的风险因素,从而陆续推动了更多基础研究的快速发展,包括病毒学、免疫学、细胞生物学、动物模型构建和疾病靶向治疗等。伴随着这些领域的快速发展,基因治疗于21世纪初开始逐渐走出困境。在长足的研究下,现在,基因疗法逐渐褪去光环与污名,成为人类对抗疾病的重要武器。

基因疗法的三种形式

狭义上的基因疗法是指将功能基因递送到患者体内,以矫正或置换治病基因的一种治疗方法。在这种治疗方法中,目的基因被导入到靶细胞(target cells)内,他们或与宿主细胞(host cell)染色体整合成为宿主遗传物质的一部分,或不与染色体整合而位于染色体外,但都能在细胞中得到表达,起到治疗疾病的作用。

广义上来讲,凡是采用分子生物学的方法和原理,在核酸水平上开展的疾病治疗方法都可称为基因治疗。因此,RNA药物也可以算作基因疗法。

目前,基因疗法主要有三种形式:一是将正确的基因导入细胞来替代错误的突变基因;二是直接修复错误的基因,也就是常说的基因编辑;三是在体外通过基因技术修改细胞,然后把修改的细胞导入人体发挥作用。

将正确的基因导入细胞来替代错误的突变基因即基因修饰,又称基因增补。想要实现基因修饰,首先需要一种载体把基因带到细胞中,最常见的方法就是利用经过改造后无法增殖的病毒。这是因为病毒天生有将基因序列整合到宿主基因组中的能力。

目前有两大类病毒载体最为常用,一类是逆转录病毒载体(Retroviral vectors),一类是腺相关病毒载体(Adeno-associated viral vectors)。早期(1980年代至1990年代早期)的逆转录病毒载体多使用γ-逆转录病毒和C类逆转录病毒,后来科学家又开发出慢病毒(Lentivirus)和泡沫病毒(spumaviruses)载体。这些病毒不但能感染非分裂的细胞,而且能携带更大片段的基因。

通过遗传改造,比如去除增强子等方式,这些病毒被改造得更为温和,从而大大降低了遗传毒性。而腺相关病毒载体不易整合到宿主基因组,因而更加安全。在这一原理下,利用基因疗法具有长期表达和组织特异性表达治疗性蛋白的特点,有两种药物设计思路:

一是将基因疗法作为长效的给药方式,基于治疗性蛋白反向设计基因序列,完成药物设计,例如在wAMD中的应用;二是将基因疗法作为一种全新的治疗方式,针对过去无法治疗或难以治疗的疾病,从基因出发设计药物,例如Luxtuma、Zolgensma。

相对于外源导入基因,直接修复突变的基因无疑是更安全的选择。通过切割需要修改的基因片段,然后利用细胞自身的DNA修复机制,科学家可以按照需要改变细胞原有的DNA序列,这也就是基因编辑技术。

基因编辑在近几年得以快速发展,得益于CRISPR技术的发现。CRISPR最令人惊艳的是,这把基因编辑剪刀可接收人类编程指令,只搜索、绑定和剪切特定的DNA序列,这其中也包括人类的基因组序列。因为高效、便捷、适用范围广,CRISPR技术的突破使得基因组编辑的发展进入快车道。

需要注意的是,尽管基因编辑的治疗方法在设计上最为理想,但技术上仍未突破,操作难度也极大。并且,用于生殖细胞时伦理争议极大,一个被熟悉的案例就是2018南方科技大学的贺建奎在基因编辑一对名为露露和娜娜的婴儿后,在世界范围内被广泛声讨。虽然目前单碱基编辑技术(Base Editing)是该领域的宠儿,但基因编辑依旧还有一段很长的路要走。

把经过基因改造的细胞导入人体发挥作用,是第三种形式的基因治疗,更多地运用在肿瘤领域。这种技术主要借助CAR-T或者T细胞受体(TCR)嵌合型T细胞(TCR-T)的形式以离体基因治疗的方式达到杀伤肿瘤的目的。

以CAR-T为例,这是一种新型的细胞免疫疗法,利用白细胞分离技术从患者的血液中提取免疫T细胞,体外通过基因工程技术给T细胞整合一个能识别肿瘤细胞,并且同时激活T细胞杀死肿瘤细胞的嵌合抗体基因,再进行体外扩增改造的T细胞并回输到癌症患者体内,从而识别并攻击自身的肿瘤细胞,达到肿瘤治疗的目的。

从罕见病到常见病

不可否认的是,在罕见病领域,基因疗法正开始让越来越多原本无药可医的患者受益。

以先天性黑矇症为例,这是一种在新生儿出生一年内就发病的罕见遗传病。婴儿的目光不会追随悬挂晃动着的玩偶,对刺眼的光源却毫不避让。慢慢地,患者会陷入永久失明。对此,基因疗法的治疗策略十分有效,把病毒载体放到视网膜的一小块区域,就有一些基因发生转移。在这种疾病当中,只要纠正了有缺陷的基因,失明的患者就可以重见光明。

在单基因遗传病方面,如SCID、镰刀状贫血、血友病、地中海贫血、苯丙酮尿症等基因治疗也越来越多的参与其中。治疗原理是基因修饰,由于单基因突变的存在,靶细胞会产生异常蛋白或不产生正常蛋白,基因疗法通过病毒载体将外源基因导入到靶细胞内,以表达正常蛋白,达到治疗目的。

但除了罕见病,事实上,相较于传统药物是直接补充人体所需的重要物质(蛋白质、无机物、多肽等等)或调节信号通路中的蛋白靶点,基因疗法的作用位点更“上游”,在核酸水平上开展治疗。根据中心法则,理论上由蛋白质异常导致的疾病,都可以通过核酸的作用来治疗。基于此,基因疗法可治疗的领域非常广泛,在罕见遗传病以外,更多的常见疾病类型也将有基因疗法的用武之地。

前不久,巴塞尔分子与临床眼科研究所(IOB)的科学家与德国灵长类动物中心(DPZ)-哥廷根的莱布尼兹灵长类动物研究所的同事一起开发了一种基于基因疗法的全新治疗方法,他们设法使用近红外光激活退化的感光器,以通过基因疗法恢复视力,这项研究发表在《科学》上。

此外,西雅图儿童研究所的研究人员开展的一项实验疗法的首次人类临床试验的过程也让用于1型糖尿病的工程T细胞更接近临床。《科学转化医学》上的论文,显示了该研究团队如何使用基因编辑技术来靶向人T细胞中的FOXP3基因。通过打开FOXP3,他们为T细胞配备了专门针对Treg的说明。

在小分子化药时代,大分子抗体的出现打开了新世界的大门,让药物能触达更多的靶点,治疗更多疾病,显著提升人类寿命。在当下,基因疗法的出现也为人们打开了另一扇大门。无论是基因编辑还是基因修饰,它们都给罕见病提供了新的治疗方案,为人类寿命的延长和生存率的提高提供了更多可能。

当然,任何前沿技术都需要面对伦理的考验,从基因编辑的性质、效应和制度,我们依然需要更多的谨慎和设计。只有安全和效率并行,基因疗法的发展才有可持续性。

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