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基因疗法:你从哪里来,要到哪里去?

来源:药明康德日期:2020-1-6
  核心提示:基因疗法:你从哪里来,要到哪里去?

基因疗法是一个听起来充满未来感的词汇。但可能很少有人意识到,距离首位人类患者接受基因疗法的治疗,竟已是30年前的事了。在这30年里,基因疗法领域曾一飞冲天,也曾一落千丈。直到最近的几年里,它才逐渐褪去光环与污名,成为人类对抗疾病的重要武器。

1972年11月,在夏威夷举办的一场科学会议上,50岁的斯坦利·科恩(Stanley Cohen)第一次遇上了36岁的赫伯特·博耶(Herbert Boyer)。当时,科恩是斯坦福大学的一名教授,研究如何将环状的质粒DNA送到细菌体内;而博耶则在加州大学旧金山分校工作,专长是限制性内切酶——这种酶可以在特定的位置切开DNA,让科学家们对DNA进行修修补补。

在夏威夷的夜风下,两位科学家很快意识到,他们所做的工作能形成完美的互补:利用限制性内切酶,博耶能把特定的基因给添加到质粒DNA上,而科恩能把这些添加了新基因的质粒送到细菌身体里,让它们发挥作用。

 

▲两名科学家的工作联合起来,让新基因的插入成为可能(图片来源:Michael Jeltsch [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)])

我们知道,基因是生命的蓝图。我们每个人的体内,都有将近3万条不同的基因。它们告诉我们的细胞应该制造什么样的蛋白质,而蛋白质就像是细胞内的小机器人,会参与到各种各样的生理活动中。对于细菌而言,基因也有着同样的作用。

而科恩与博耶的突破在于,他们首次在一种生物的体内,让来自另外一种生物的基因得到了表达——这些DNA的修补匠成功把来自葡萄球菌的基因送到了大肠杆菌的身体里,并让它们顺利工作。再后来,他们陆陆续续把非洲爪蟾,乃至哺乳动物的基因送到了大肠杆菌体内。

回顾这段历史时,人们都把它叫做“基因工程的大爆炸”。一个属于生物技术的时代悄然到来。

基因疗法能治疗人类吗?


有意思的是,同样是在1972年,在科恩与博耶会面的半年多前,《科学》杂志上刊登了一篇名为Gene Therapy for Human Genetic Disease?的论文。论文里指出,当时人类已经知道了1500多种不同的遗传疾病,且这一数字每年还在不断上升。而随着DNA分离与合成技术的逐渐成熟,在这些患者体内“利用‘好的’DNA来替代‘有缺陷的’DNA”,也应当被提上议程。

但这篇论文里,作者们也谨慎地指出,对于基因调控的知识,我们还懂得太少;对于遗传疾病背后的机理,也依旧有着太多需要我们去回答的问题。只有在确认对人类有益的情况下,我们才能考虑使用基因疗法对人类患者进行治疗。相反,任何不成熟的错误使用,都应当避免。

而在生物技术的纪元里,在科恩与博耶突破性工作的基础之上,成百上千位科学家踏入了这片全新的天地,把各种基因插入到了动物和植物的细胞中。在高等生物里,基因工程的做法要更为复杂——科学家们需要利用特定的“载体”,把基因送到细胞内,而病毒是他们的首选。毕竟在自然环境下,病毒就有入侵细胞,释放出基因的能力了。

为了减少“病毒”的毒性,科学家们也想出了一种简单的方法——在这些病毒体内,负责病毒复制的基因被拿走了。也就是说,这些病毒能够把新的基因带进细胞里,但不会无限制地复制,带来意想不到的副作用。在当时的人们看来,这个方法让我们摸到了基因疗法治疗人类的门槛。

弗伦奇·安德森(French Anderson)是基因疗法的诸多信徒之一。1980年代末,这名美国国立卫生研究院的遗传学家正在申请临床试验的许可。他想启动历史上首个治疗人类患者的基因疗法临床试验,“利用‘好的’DNA来替代‘有缺陷的’DNA”。

奇迹的开端


安德森很快就找到了第一名患者。这是一位叫做阿珊蒂·德席尔瓦(Ashanti DeSilva)的4岁小女孩。在她的体内,有两条ADA基因,一条来自母亲,一条来自父亲。不幸的是,父母遗传给她的,恰好都是有缺陷的ADA基因。因此她的父母虽然看起来一切正常,她的体内,却无法产生足够的ADA蛋白质。

在我们的免疫系统里,ADA蛋白质扮演了极为重要的角色。如果没有ADA,人体内的免疫T细胞就会很快死去。而倘若没有T细胞,我们就无法抵抗外界的病毒或细菌感染。对这些患者来说,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。

▲这种罕见的疾病也被叫做“气泡男孩病”。为了避免接触致命的病原,患者只能生活在无菌的“气泡”中(图片来源:Niño burbuja [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/)])

安德森找到了阿珊蒂的父母,询问他们是否愿意让自己的女儿接受基因疗法的临床试验。这听起来并不是什么安全的方法,但她的父母别无选择。

1990年,安德森的临床试验申请得到了批准。当年春天,他联系了阿珊蒂一家。不久后,这名小女孩与她的父母飞到了马里兰州的临床试验中心。在那里,科学家们小心翼翼地从她的身体里分离出了造血细胞,在体外进行了基因编辑。在科学家们的妙手之下,这些细胞里出现了健康的ADA基因。9月14号下午,科学家们把这些经过编辑的细胞,注射回了阿珊蒂的身体里。

从原理上看,这和“骨髓移植”如出一辙。不同的是,这些细胞都来自患者自身,因此没有排斥的风险。

基因疗法的效果堪称神奇。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。保险起见,她仍然会定期注射人工的ADA蛋白,但注射的蛋白含量非常低,只停留在4岁的水平。这正是她接受基因疗法的年龄。

就这样,基因疗法的首个人类临床试验,就迎来了开门红。安德森也因此被许多人称为基因疗法之父。

领域的陨落


在阿珊蒂的成功治疗故事下,基因疗法领域得到了蓬勃的发展。据估计,在接下来的几年里,数百个实验室参与到了基因疗法的研发之中,开启的临床试验超过500项,涉及的患者超过了4000人。

没有人想到,基因疗法的这一热潮,只维持了9年。

1999年,宾夕法尼亚大学的遗传学教授詹姆斯·威尔森(James Wilson)教授开启了一项临床试验,以求用基因疗法治疗“OTC蛋白缺乏症”。与ADA一样,OTC也是人体里一种基因的名字,所产生的蛋白质会降解体内代谢产生的氨,避免毒素在身体里积累。

▲詹姆斯·威尔森教授(图片来源:宾夕法尼亚大学官方网站)

一名叫做杰西·基辛格(Jesse Gelsinger)的18岁少年是这项临床试验招募的患者之一。他的病情并不算太严重,通过控制饮食和按时服药,就能过上相对正常的生活。当年的9月13日,他接受了一种病毒的注射,而这种病毒的体内带有正常的OTC基因。按设想,这种病毒会把OTC基因带到他的身体里,带来持久的疗效。

令研究人员们没有预料到的是,杰西等来的并非疾病的痊愈,而是猛烈的免疫反应。在严重的免疫反应下,杰西出现了多重器##官衰竭,并在4天后宣告不治。

杰西是第一位死于基因疗法临床试验的患者,他的死亡震动了整个领域。美国FDA在调查后,指出该临床试验设计上的种种问题,并终止了宾夕法尼亚大学的所有基因疗法项目。要知道,这是世界上最大的基因疗法研究中心之一。此外,在美国进行的69项其他基因疗法试验,也被迫接受进一步的调查。威尔森被研究所解职,禁止参与人体试验5年,仅保留教职头衔。

从1990年9月14日到1999年9月13日,仿佛是历史的玩笑一般,基因疗法领域一夜之间陷入了停滞。

浴火重生


在惨痛的教训下,基因疗法领域里的每一位科学家开始反思自己究竟做错了什么,而很多证据都指向了运送基因的病毒载体——腺病毒(adenovirus)。这是一种有着极强免疫原性的病毒。换句话说,它很容易在人体内引起免疫反应。杰西所注射的,正是这种病毒载体。

痛定思痛,在接下来的几年里,无数科学家们将精力投入到了寻找更为安全的基因载体上,而腺相关病毒(AAV)是他们给出的答案。这是一种在上世纪60年代中期,在制备腺病毒的过程中,意外得到的病毒,“腺相关病毒”也因此得名。

接下来几十年的时间里,人们不断优化AAV的设计,将它打造成了一款极富潜力的基因载体。2008年,基于AAV的基因疗法,其疗效在临床上得到了验证。2012年,欧盟委员会批准了UniQure公司的Glybera上市,治疗一种罕见的脂蛋白脂酶缺乏症。由于缺乏这种酶,患者血液里的甘油三酯水平极高,甚至抽出来的血液都会呈现脂肪的乳白色!而通过在患者体内表达这种酶,Glybera可有效控制他们的症状。这是人类历史上第一款基于AAV的获批基因疗法。

2017年,美国FDA批准了其监管下的前三款基因疗法,其中两款是经过了基因改造的免疫T细胞,用于癌症的治疗;另一款名为Luxturna的疗法则是美国FDA批准的首款基于AAV的基因疗法,治疗因RPE65基因突变导致的视网膜营养不良。

我们有理由相信,这是基因疗法领域浴火重生的开始。在欧洲,BioMarin已经递交了首款血友病基因疗法的上市申请,而GenSight的Lumevoq也得到了临时批准,治疗雷伯氏遗传性视神经萎缩症(Leber Hereditary Optic Neuropathy)。在美国,FDA也在去年1月介绍了推动细胞和基因疗法开发的新举措,指出到2025年,FDA预计每年将会批准10-20个细胞和基因疗法产品。

一个基因疗法的时代,已经悄然到来。

未来的方向


如果说威尔森是一度让基因疗法领域陷入停滞的罪人,那么在过去的几十年里,他一直在寻求自我救赎。

“我几乎每天都会想到杰西。一名年轻人失去了宝贵的生命,基因疗法领域因此停滞了许多年。我们为这场悲剧付出了惨重的代价,这不是我想看到的。”威尔森在一项采访中说道。

事实上,他在AAV载体的开发里,做了很多工作。在他的牵头之下,这些病毒载体被送往了30多个国家的900多所科研机构,供数千名研究人员进行使用。2012年,利用他发现的一种叫做AAV8的病毒载体,一家医院研发出了一种血友病基因疗法,成功治好了一名患者。对于威尔森本人而言,这些进展让他感到些许欣慰。

在最近一次与药明康德内容团队的对话中,威尔森谈到了未来基因疗法的发展方向。他指出,目前获批的基因疗法,或是在临床后期的基因疗法,大多是约8-10年前启动的临床试验,然而当时的基因疗法技术还未臻成熟。也就是说,目前的技术,有望让基因疗法展现出完全不同的面貌。这一切,将在未来逐渐成为现实。

而即便是当下的技术,也依旧有着改良的余地。聊到所关心的话题,威尔森提到了在不同器##官里的表达问题,基因表达的持续性问题,多次治疗的问题,安全性的问题,以及生产制造的问题。尽管我们在基因疗法的技术上取得了一系列突破性进展,这些问题依然是每个关心基因疗法的人所必须面对的。解决这些问题,是为了打造一个更光明的未来。

 


 


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