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基因治疗:步入新的十字路口

2017-08-28 16:06:24健康报医生频道

8月2日,Nature杂志发表了美国俄勒冈国家灵长类动物研究中心Shoukhrat Mitalipov研究组与韩国、美国加州以及中国华大基因的研究人员合作完成的研究论文——利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术修正了未被植入子宫前的人类胚胎中一种和遗传性心脏病有关的变异,并进一步证实编辑人类生殖细胞系的DNA是安全有效的。

 

人类基因总数在2万~2.5万个,已知的单基因变异导致的发育异常或疾病有7000多种。遗传疾病威胁着患者生命,也困扰着科学家和临床医生。今天,基因治疗为攻克遗传病带来希望。那么它是如何发展起来的,又将走向何方?

 

基因治疗:半个世纪的沉浮

1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋的结构模型,从此生命科学研究进入到了分子水平。半个世纪以来,分子生物以空前的速度迅猛发展,极大地推动了基因工程技术和基因治疗的发展。不久之后,Nirenberg和Khoran等人相继破解了遗传密码,揭示了从DNA到蛋白质的阅读方式为三个碱基组成的三联体对应一种氨基酸,为我们打开了解人类基因奥秘的大门。

 

1957年Crick提出了遗传信息传递的中心法则:DNA→RNA→蛋白质。1970年Baltimore提出了RNA病毒在宿主细胞中的复制过程是先以病毒的RNA分子为模板合成一个DNA分子,再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA,被称为逆转录。这是中心法则的重要补充,为如何实现高效表达外源基因提供了理论支撑,从此基因治疗逐渐步入人们的视野。

 

在黑暗中探索

经过多年的研究,1968年Rogers和Pfuderer第一次在烟草花叶病毒实验证实病毒可以作为一种载体实现基因传递的作用。随后,他们运用野生型的肖普氏乳头状瘤病毒过表达精氨酸酶来治疗患精氨酸血症的一对姐妹。可惜,这次试验失败了,但没有对患者造成伤害。这项试验在当时是非常大胆的。

 

1980年前后,美国加州大学洛杉矶分校的Martin Cline再一次对基因治疗发起挑战,这次他们选择的是地中海贫血症。他们利用DNA重组技术将β-球蛋白导入患者的骨髓细胞中,然后回输到体内,但因效率非常低下而再次失败了。

 

这两起失败尝试让人们意识到,基因治疗不仅门槛高而且面临着更为复杂的伦理问题,没有监管的盲目尝试是极其危险的。不久美国国立卫生研究院DNA重组委员会组建了基因治疗分委会,经过讨论人们意识到几个障碍:首先是如何实现高效的DNA整合,如何准确地获得特定的功能基因;其次如何在靶细胞中高效传递目的基因。在这些困难没有解决之前,基因治疗不可能成功。

 

主要技术障碍被攻克

1984年西斯特公司的Mullis开发的聚合酶链式反应(PCR)技术首次获得成功,并因此获得1993年的诺贝尔化学奖。PCR技术和基因克隆技术的逐渐成熟,使人们能够准确获取目的基因。加上逆转录病毒的发现,为基因治疗提供了高效的导入方法。此外,腺病毒、腺相关病毒(AAV)和慢病毒等病毒系统也逐渐被开发利用。至此,基因治疗的主要障碍逐渐被攻克。

 

1990年美国NIH的William French Anderson开展了世界上首例正式批准的人体临床试验,利用逆转录病毒编码腺苷酸脱氨酶(ADA)治疗重症联合免疫缺陷病(SCID)。他首先从四岁女孩Ashanti身上提取白细胞,然后将编码正确ADA基因的逆转录病毒插入到白细胞基因组中,再将细胞回输体内。后续检测发现,女孩体内能正确合成腺苷酸脱氨酶,但是由于白细胞存活时间短,所以需要经常接受类似的治疗。该临床试验是基因治疗历史上重要的里程碑。

 

恶性事件震惊学界

随着这次基因治疗的成功,大量公司和研究机构纷纷涌入基因治疗领域,其中绝大部分是肿瘤的基因治疗。然而就在此时意外出现了——1999年9月13日,在由宾夕法尼亚大学James Wilson领导的I期临床试验中,患者注射高剂量的编码OTC基因的腺病毒后发生强烈的免疫排斥反应,导致多器官衰竭而死亡。

 

 

据FDA调查,此次恶性事件的发生与宾夕法尼亚大学的违规操作有关。临床前的猴子试验有两只死亡,但没有引起实验人员的足够重视,也没有及时通知FDA,更没有告知病人及家属此项临床试验的风险性。因为这次事件,基因治疗进入了最黑暗的一段时间,一些科学家呼吁基因治疗需要“重回实验室”。

国内相关领域开展较晚,目前国家食品药品监督管理局批准了一种抗肿瘤基因药物的生产,其成为世界上第一个获准上市的基因治疗药,但是该项目的获批引起国内外广泛争议。

 

以更成熟姿态回归

2003年人类基因组测序完成以来,不仅使我们更加深刻地理解了生命,也为更合理的设计基因治疗策略,更方便地进行安全性和有效性评估提供了良好的平台。基因编辑技术的发展,尤其是2013年以来CRISPR/Cas9技术的发展,为我们高效进行基因操作提供了强大的工具。

 

2009年宾夕法尼亚大学在《柳叶刀》杂志报道通过AAV2过表达RPE65成功治疗雷伯氏先天性黑蒙症。2011年,英国伦敦大学在《新英格兰》报道通过AAV8过表达凝血因子IX,可使患者出血次数大大减少。

 

 

2012年第一个基因治疗药物Glybera(来自uniQure公司)在欧盟获批上市,开启了基因治疗的新时代。该产品采用AAV1过表达的方法治疗脂蛋白脂肪酶缺陷,不过售价高达100万美元,四年来只用过一次。 2016年欧盟第二例批准的基因治疗药物来自葛兰素史克的Strimvelis,用于治疗重症联合免疫缺陷病。

 

21世纪以来以核酸酶为代表的基因编辑技术蓬勃发展,尤其是2013年出现的CRISPR技术比起传统的同源重组技术,不仅更加高效而且操作更加灵活;跟现在常用的利用过表达基因来实现基因治疗相比,利用基因编辑技术的基因治疗能实现永久的治愈,但同样也面临更大的挑战,目前仍停留在动物试验水平上。

 

既有伦理争端也有技术竞争

基因治疗技术分为体细胞治疗和生殖细胞治疗。体细胞治疗主要指利用基因工程技术在病人细胞内校正病人的遗传缺陷,而生殖细胞治疗是指对人体的精子、卵子或者受精卵进行基因修饰从而达到治疗遗传病的目的。理论上生殖细胞治疗能够根治遗传病,但是由于目前技术不成熟,一旦技术上发生问题很难纠正,可能传给后代从而扩散到人群中,更重要的是对生殖细胞的基因修饰有可能定点改变人的正常特性,比如可能让人更聪明,或者体格更健壮等,有可能带来严重的伦理争端。所以为了避免未知的风险,目前绝大多数人认为基因治疗主要限定在体细胞治疗,不能在生殖细胞中开展。

 

但体细胞的基因治疗并非没有伦理争端,早期失败教训很大程度上就是因为没有处理好相关的伦理问题造成的。主要包括受试者的知情同意问题,研究者和受试者之间的利益冲突以及科学家的科研责任和社会责任等。

 

2015年4月18日,中山大学黄军就等在《蛋白质与细胞》杂志上发表文章,利用CRISPR/Cas9技术对人类胚胎中导致β型地中海贫血症的致病基因进行了修饰,这是首次对人类自身胚胎进行基因编辑的突破性尝试。这一事件引起全世界范围的广泛争论,也间接促成了2015年12月人类基因编辑国际峰会在华盛顿的召开。

 

 

 

会议结束后发表的共识声明表示:因为生殖细胞的临床应用将会作用在被编辑后代的所有细胞上, 该编辑基因会传至其后代并成为人类基因库中的一员。生殖细胞的基因编辑还存在各种技术层面、社会层面以及伦理道德层面的问题, 其安全性目前还无法估计,且一旦被编辑的基因进入人类基因库,该影响不可逆,不受地域限制。所以,在目前状况下禁止用于人类生殖的相关细胞系(包括精子、卵子和早期胚胎)的基因修饰和编辑。


然而仅仅过去了三个月,2016年2月1日英国人类受精与胚胎管理学管理局(HFEA)宣布,凯西·尼娅坎和她的团队获得一项“包括对人类胚胎进行基因改造”的新实验室研究许可证。

 

2016年4月22日,日本生命伦理专门调查委员会宣布,允许在基础研究中“编辑”人类受精卵的基因,但不允许将其应用到临床和辅助生殖中。

 

2017年2月14日美国对基因编辑是否可以用于人类生殖细胞也谨慎放开。其发布了一份长达261页的报告表示,在严格的监管和风险评估下,基因编辑技术可用于对人类卵子、精子或胚胎的编辑,但仅限于父母双方均患有严重遗传疾病、想要健康的孩子却别无选择时。

 

黄军就教授在对Nature杂志刊登的美韩中三国研究人员基因编辑治疗研究成果进行点评时指出,“在这巨大的转变过程中,中国科学家与全球科学家一起努力实现了该研究领域的良性发展。美国科学家在NIH禁止将联邦资金用于此类研究资助的情况下,更是走在了国际的前列。”“目前在人类胚胎中利用基因编辑技术研究早期胚胎发育和遗传疾病研究的重要性已经成为国际共识,相信今后在国内和国外同行的努力下还会有更多重要的研究成果出现。”

 

我们现在又步入一个新的十字路口。随着基因编辑技术的日渐成熟,基因治疗又重新迈入一个黄金时期,走在时代前沿的科学家们更应该保持清醒的头脑,站在人类社会发展的角度上,承担更多的社会责任,来应对新技术可能引起的伦理问题以及如何在科研群体中建立良性的自我约束和监督机制。

(文/中国科学院动物所 曲彬)

转自“醉心科学”公众号