为什么说在不久的将来基因编辑技术CRISPR还不能做到治愈病患

摘要

本周,科学家们聚集华盛顿,召开了致力于基因治疗的年会(译者注:指今年5月4日至7日召开的美国基因与细胞疗法学会(American Society of Gene & Cell Therapy)年会)——这个领域一直在艰难前行,而最近因为一系列喜人的小型临床试验结果,让人们重拾了信心。如今,许多人相信强大的被称为CRISPR的基因编辑技术将会使开始起步的基因疗法如虎添翼。但是,CRISPR真的准备好了吗?科学家们在探寻这项新技术会带来的希望和风险。

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本周,科学家们聚集华盛顿,召开了致力于基因治疗的年会(译者注:指今年5月4日至7日召开的美国基因与细胞疗法学会(American Society of Gene & Cell Therapy)年会)——这个领域一直在艰难前行,而最近因为一系列喜人的小型临床试验结果,让人们重拾了信心。如今,许多人相信强大的被称为CRISPR的基因编辑技术将会使开始起步的基因疗法如虎添翼。但是,CRISPR真的准备好了吗?科学家们在探寻这项新技术会带来的希望和风险。

CRISPR是如何工作的?

传统的基因疗法采用了一种相对比较粗暴的基因转移方法。一种无害的病毒,或者其它形式的载体,携带一段好的基因拷贝进入细胞,就能弥补致病的失效基因。但是,CRISPR的修补方式更加直接,它能去除错误的DNA并用正确的序列取而代之。原则上,这种方法要比单纯加入一个新基因要好得多,因为它消除了由于外源基因结合在细胞染色体内错误的位置上,而启动癌症基因的风险。而经过CRISPR修复的基因则会受控于原基因自带的启动子,因此细胞也不会产生过多或过少的蛋白质产物。

CRISPR走到了那一步?

研究者们已经将运用CRISPR技术在动物身上治疗遗传性肝病和肌肉萎缩症的成果发表了出来,在本周的美国基因和细胞疗法学会(American Society of Gene and Cell Therapy)的年会上将会报告更多类似的动物实验研究成果。关于CRISPR的探讨会越来越热烈。本次年会发布了93篇关于CRISPR的摘要文献(共768篇),而去年仅有33篇。另外,投资者们也正涌向CRISPR。三家创业公司:Editas Medicine、Intellia Therapeutics和 CRISPR Therapeutics已经融资数以亿计。

题图为什么说CRISPR还没有准备好?

在能够安全有效地用于修复——不仅仅是敲除——人的基因之前,CRISPR技术仍有相当长的路要走。对大多数疾病更是如此,比如肌肉萎缩症和囊胞性纤维症需要矫正活人的基因,如果把细胞取出、修复然后再放回,大多数细胞活不下来。若想做体内修复,则意味着基因编辑技术也会同基因转移一样,在运送过程中面临挑战。例如,研究者必须开发出能够高效将有活性的CRISPR运送到特定人体组织内的方法。

CRISPR也有自身的安全风险。最常提到的是,CRISPR用于在特定位置剪切DNA的Cas9酶可能会切错位置,这会增加癌变风险。

既然CRISPR有这些缺点,还需要使用它吗?

传统的插入基因的疗法在治疗某些疾病方面已经有了相当深入的进展,以至于不需要用CRISPR推倒重来。在欧洲,已有一种基因疗法被批准用于治疗一种罕见的代谢失调,监管部门正准备批准第二种基因疗法,用于治疗腺甙脱氨酶缺乏引起的严重复合型免疫缺陷。在美国,在今年有一家公司希望一种用于治疗儿童失明(先天性黑朦)的基因转移疗法获得批准。

在美国基因和细胞疗法学会年会上,与Bluebird Bio公司合作的研究者将会呈现一项后期临床试验新近研究的初步数据,研究发现插入基因疗法能够阻止肾上腺脑白质营养不良病的进程,那是一种严重的儿童神经系统疾病。最终结果可能有助于为获得监管部门批准铺平道路。Bluebird也将会报告关于两种血液疾病——镰刀型红细胞病和β地中海贫血症——的基因转移疗法试验,让这些疗法更接近临床。

除了通过把携带基因的病毒直接注射到眼睛里治疗先天性黑朦以外,这几种疾病都是通过取出病人骨髓细胞、添加基因至细胞、再把骨髓细胞植回病人体内的步骤来治疗。在一些早期的治疗免疫缺陷的试验中有少数病人之后患上了白血病,但新的更安全的病毒载体已经减少了这一类风险。洛杉矶加利福尼亚大学的唐纳德.科恩说,研究者们看到了“出色的临床效果”。

科恩和其他研究者曾使用过一种更旧的被称为锌指核酸酶的基因编辑工具,在体外培养的细胞中分别修复了引发镰刀型红细胞病的和引发一种严重综合免疫缺陷的缺陷基因,但最后在治疗所需的幼稚血细胞中,只有很小一部分细胞的基因得到成功修正——远低于如今的常规基因转移方法能达到的转变水平。其中一个原因是原始血细胞的分裂次数并不多(下文会详述)。由于对几种疾病而言,诸如CRISPR这样的基因编辑方法的效率远低于插入基因的方法,意大利米兰San Raffaele Telethon基因疗法研究所的路易吉.纳尔迪尼说,“我不认为切换到基因编辑方法是非常明智的”。

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CRISPR还有其它问题

运用CRISPR技术切除一部分基因——而不是修正序列——是相对容易实现的。实际上,这种策略已经在一项阻止HIV感染的临床试验中,通过使用锌指核酸酶得到了验证。在试验中,核酸酶被用来敲除了血细胞内的一个编码CCR5受体的基因,因为HIV病毒会利用CCR5以进入细胞。

但是当科学家们不仅仅让CRISPR敲除一段DNA,而是通过另将一条单链DNA引入细胞以使CRISPR能修正基因时,效果就不是很好。那是因为细胞必须使用一个叫做同源修复(HDR)的过程来编辑DNA,而这个过程只会在正在分裂的细胞中起作用。不幸的是,体内的大多数细胞——肝细胞、神经细胞、肌细胞、视细胞和造血干细胞——在正常情况下并没有在分裂还没有正常分化。因此,美国基因与细胞疗法学会主席当选人、位于马里兰州贝塞斯达的国家心脏肺和血液研究所的基因疗法研究者辛西娅.邓巴说:“敲除一个基因,远比敲进一个基因并修正突变要简单得多”。

研究者们正在努力突破上述限制。马萨诸塞州剑桥市的布罗德研究所的CRISPR研究员张锋说,同源修复的基因在所有细胞中都有,关键在于怎么启动它们,或许给细胞使用特定药物能行。张锋说,另一个办法则是找到不依赖HDR进程的编辑系统来替代Cas9系统。

但是,在大多数细胞里同源修复效率很低,使得CRISPR的首例临床应用将很可能是用来敲除基因,而非修复它们。例如,几个实验室已有小鼠研究表明,利用CRISPR能够去除引发杜兴氏肌肉营养不良症的缺陷基因的一部分片段,剩下的部分所产生的蛋白虽然被截短了,但仍然有正常的功能。Editas公司希望明年开始临床试验,通过截除缺陷基因部分片段的形式治疗先天性黑朦。有人建议使用基因编辑技术治疗镰刀型红细胞病,同样地通过剪去一些DNA,让血细胞生产出一种胎儿型的携氧的血红蛋白。

CRISPR仍然有大的安全风险

有关CRISPR的安全风险里讨论最多的来自Cas9酶,它既能切下特定DNA区域,也能切下别的部分,这可能会导致突变,使得癌症风险增加。研究者在制造更专门的CRISPR方面动手很快。比如,一月份一家实验室称对Cas9的优化能显著地降低脱靶效应。在四月份的《自然》杂志上,另一个团队的研究表明如何让酶在置换单个DNA碱基过程中更高效。

但是,剪切脱靶这种立刻能显现效果的问题并非唯一令人担忧的事。虽然在培养皿里,将CRISPR的组件以蛋白质或RNA的形式送进细胞是可能的,但对于体内的组织而言,目前研究者通常只能通过病毒载体把编码Cas9蛋白的DNA送进细胞内,才会有效果。这就意味着,即便Cas9蛋白完成了所需要的剪切,细胞仍会不停地把它制造出来。张锋说,“在十年、二十年的时间里,细胞里将一直有那些酶的存在”。这样一来,即便特异性很好的Cas9酶,其剪切脱靶的概率也会上升,而身体对这种酶产生免疫反应的概率也会提高。

张锋表示,这也许不会成为一个问题。他的团队造出了一种品系的小鼠,在出生时就使Cas9基因始终保持启动状态,因此它会在小鼠的整个生命过程中的所有细胞中表达。即使让该品系小鼠繁衍了20代左右之后,张锋说,它们仍然“看上去不错”,没有明显的不正常。尽管如此,“在最理想的情况下,我们还是要关掉这个酶”。这可能就意味着需要找到不用病毒的方法把Cas9送进细胞,例如用脂肪或纳米粒子来输送蛋白质——而生物学家们一直都需要费尽心机,才能使这些办法能在活体动物上获得成功。

基因疗法长期以来面临的其他障碍,CRISPR也会遇到。虽然这事因病而异,但任何被基因编辑过的细胞最终都可能会死掉,而病人很可能不得不接受多次治疗。利用基因转移和编辑方法的研究者们,也都受到单个病毒载体能运载DNA的量的限制。目前,CRISPR研究者经常必须使用两个不同的病毒运送CRISPR组件进入细胞,这比单个载体的效率要低。

那最后结论是什么?

基因疗法的治疗者们仍然因CRISPR而感到兴奋,部分原因是它能够治疗的遗传性疾病比基因转移法能治的要多。例如某些免疫疾病,被修复的蛋白在细胞中的量必须得到精确控制。而对于另一些疾病,比如镰刀型红细胞病来说,除非病人的细胞不再制造有缺陷的蛋白,否则就不会完全治愈,因此仅仅添加一个基因是不足够的。邓巴说:”它为治疗许多基因添加法不能奏效的疾病敞开了大门”。

20多年来看惯了自己领域的起起落落,基因治疗领域的老手们则对CRISPR在治疗疾病方面受到的不断攀升的期望保持着警觉。位于加州帕罗奥图的斯坦福大学的基因疗法研究者马克.凯伊说:“每当一项新技术产生,随之而来的是狂潮般的兴奋,每个人都以为明天这技术就能拿来就能治愈病人了”,“其实这还得花时间”。

作者:Jocelyn Kaiser

翻译:捣蛋之父

原文链接:http://www.sciencemag.org/news/2016/05/gene-editor-crispr-won-t-fully-fix-sick-people-anytime-soon-here-s-why

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