基因療法是一個(gè)聽(tīng)起來(lái)充滿未來(lái)感的詞匯。但可能很少有人意識(shí)到，距離首位人類患者接受基因療法治療已經(jīng)去了30年。在這30年里，基因療法領(lǐng)域曾一飛沖天，也曾一落千丈。直到最近的幾年里，它才逐漸褪去光環(huán)與污名，成為人類對(duì)抗疾病的重要武器。1972年，《科學(xué)》雜志上一篇題為“Gene Therapy for Human Genetic Disease?”的文章正式提出了基因療法，這種療法被認(rèn)可作為人類遺傳疾病的一種治療方式。

此后的幾十年間，關(guān)于基因治療的研究數(shù)量激增。盡管基因療法也曾經(jīng)歷輝煌和暗淡，但在長(zhǎng)足的研究下，基因療法逐漸褪去光環(huán)與污名，成為人類對(duì)抗疾病的重要武器。

日前，美國(guó)再生醫(yī)學(xué)聯(lián)盟(Alliance for Regenerative Medicine, ARM)發(fā)布了名為“新冠疫情下的創(chuàng)新”的2020年上半年報(bào)告。報(bào)告指出，再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(包括基因療法，利用基因工程改造的細(xì)胞療法，細(xì)胞療法，和組織工程)在新冠疫情的挑戰(zhàn)面前展現(xiàn)了出色的韌性。2020年上半年，全球這一領(lǐng)域完成的融資金額達(dá)到107億美元，超過(guò)2019年全年的融資金額。

疫情下基因療法的逆勢(shì)增長(zhǎng)原因何在?從罕見(jiàn)病到常見(jiàn)病，我們?yōu)槭裁葱枰虔煼?

我們?yōu)槭裁葱枰虔煼?

人類的疾病可以粗略地分為三種類型。第一類是由遺傳因素主導(dǎo)的疾病，也就是我們通常所說(shuō)的遺傳病。大多數(shù)遺傳病的發(fā)病率非常低，通常在千分之一到百萬(wàn)分一之間。第二類疾病是由于環(huán)境因素主導(dǎo)的疾病 (受遺傳因素影響的程度非常小)，比如細(xì)菌感染，病毒引起的普通感冒，或者骨折。而第三類疾病則是由遺傳因素和環(huán)境因素共同主導(dǎo)的疾病，比如癌癥、高血壓。

對(duì)于第二類疾病，受環(huán)境因素主導(dǎo)由細(xì)菌或病毒感染引起，由于抗病毒藥物、抗生素的存在以及人體強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)的作用可以被完全治愈。而類似癌癥，阿爾茨海默病等由多基因以及環(huán)境因素共同主導(dǎo)的第三類疾病，或單純由遺傳因素主導(dǎo)的第一類疾病，以現(xiàn)代的醫(yī)學(xué)水平想要實(shí)現(xiàn)治愈卻依舊困難。

對(duì)于遺傳因素主導(dǎo)的疾病，盡管小分子化藥和大分子抗體類藥物已經(jīng)取得了很大的成功，但這些藥物的發(fā)展也面臨著諸多困境，比如小分子化藥有著組織分布、親和力等等難題。而抗體類藥物的作用靶點(diǎn)多位于膜表面，對(duì)于胞內(nèi)靶點(diǎn)甚至是染色體上的核酸靶點(diǎn)束手無(wú)策，且為了維持人體穩(wěn)態(tài)，往往需要長(zhǎng)期輸入治療性蛋白質(zhì)。但是，治療性蛋白質(zhì)開(kāi)發(fā)難度大，對(duì)于很多患者來(lái)說(shuō)，終身注射是一件很痛苦的事情。

因此，基因療法作為一種可以實(shí)現(xiàn)治療性蛋白的長(zhǎng)期表達(dá)和組織特異性表達(dá)的治療方法應(yīng)運(yùn)而生。以實(shí)現(xiàn)治療傳統(tǒng)藥物不能治療的疾病，或大幅改善治療疾病的方式。事實(shí)上，面對(duì)很多先天性遺傳的疾病，這似乎是許多患者唯一的希望。

在基因療法被提出后的多項(xiàng)臨床研究取得突破性進(jìn)展下，1990年，一個(gè)患有ADA-SCID疾病的4歲小女孩兒阿珊蒂接受了基因替代療法的治療。這是一種由于腺苷脫氨酶(ADA)缺陷所導(dǎo)致的嚴(yán)重綜合性免疫缺陷疾病。對(duì)阿珊蒂來(lái)說(shuō)，周圍的世界無(wú)處不存在著危險(xiǎn)。哪怕和普通人共飲一杯水，甚至是在同一間房間里呼吸，都可能會(huì)帶來(lái)致命的后果。

科學(xué)家們使用病毒載體作為遞送方法，通過(guò)體外基因工程，將健康的ADA基因?qū)氲剿陨砑?xì)胞中，并將編輯后的細(xì)胞重新注射回她的體內(nèi)。在治療的半年內(nèi)，阿珊蒂體內(nèi)的免疫T細(xì)胞水平就恢復(fù)了正常。在接下來(lái)的2年里，她的健康狀況不斷得到改善，過(guò)上了和同齡人幾乎沒(méi)有差異的童年。

這一案例被認(rèn)為是基因治療發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑，科學(xué)家們通過(guò)人體試驗(yàn)完成了對(duì)基因療法的概念驗(yàn)證，證明了基因治療的安全性和可行性，鼓舞了更多的臨床試驗(yàn)的開(kāi)展。但短暫的輝煌并沒(méi)有持續(xù)太久，1999年，首位在基因療法中死亡的患者出現(xiàn)。在接受基因治療后，這位患者出現(xiàn)了致命的免疫應(yīng)答。

隨后一系列的早期試驗(yàn)結(jié)果接連暴露基因治療嚴(yán)重的副作用，包括針對(duì)載體的免疫反應(yīng)以及載體介導(dǎo)的原癌基因插入激活引起的惡性腫瘤等，這一系列的負(fù)面報(bào)道無(wú)疑讓基因治療在一時(shí)間陷入低谷。

這些失敗的案例也讓研究者們開(kāi)始反思基因治療的風(fēng)險(xiǎn)因素，從而陸續(xù)推動(dòng)了更多基礎(chǔ)研究的快速發(fā)展，包括病毒學(xué)、免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、動(dòng)物模型構(gòu)建和疾病靶向治療等。伴隨著這些領(lǐng)域的快速發(fā)展，基因治療于21世紀(jì)初開(kāi)始逐漸走出困境。在長(zhǎng)足的研究下，現(xiàn)在，基因療法逐漸褪去光環(huán)與污名，成為人類對(duì)抗疾病的重要武器。

基因療法的三種形式

狹義上的基因療法是指將功能基因遞送到患者體內(nèi)，以矯正或置換治病基因的一種治療方法。在這種治療方法中，目的基因被導(dǎo)入到靶細(xì)胞(target cells)內(nèi)，他們或與宿主細(xì)胞(host cell)染色體整合成為宿主遺傳物質(zhì)的一部分，或不與染色體整合而位于染色體外，但都能在細(xì)胞中得到表達(dá)，起到治療疾病的作用。

廣義上來(lái)講，凡是采用分子生物學(xué)的方法和原理，在核酸水平上開(kāi)展的疾病治療方法都可稱為基因治療。因此，RNA藥物也可以算作基因療法。

目前，基因療法主要有三種形式：一是將正確的基因?qū)爰?xì)胞來(lái)替代錯(cuò)誤的突變基因;二是直接修復(fù)錯(cuò)誤的基因，也就是常說(shuō)的基因編輯;三是在體外通過(guò)基因技術(shù)修改細(xì)胞，然后把修改的細(xì)胞導(dǎo)入人體發(fā)揮作用。

將正確的基因?qū)爰?xì)胞來(lái)替代錯(cuò)誤的突變基因即基因修飾，又稱基因增補(bǔ)。想要實(shí)現(xiàn)基因修飾，首先需要一種載體把基因帶到細(xì)胞中，最常見(jiàn)的方法就是利用經(jīng)過(guò)改造后無(wú)法增殖的病毒。這是因?yàn)椴《咎焐袑⒒蛐蛄姓系剿拗骰蚪M中的能力。

目前有兩大類病毒載體最為常用，一類是逆轉(zhuǎn)錄病毒載體(Retroviral vectors)，一類是腺相關(guān)病毒載體(Adeno-associated viral vectors)。早期(1980年代至1990年代早期)的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體多使用γ-逆轉(zhuǎn)錄病毒和C類逆轉(zhuǎn)錄病毒，后來(lái)科學(xué)家又開(kāi)發(fā)出慢病毒(Lentivirus)和泡沫病毒(spumaviruses)載體。這些病毒不但能感染非分裂的細(xì)胞，而且能攜帶更大片段的基因。

通過(guò)遺傳改造，比如去除增強(qiáng)子等方式，這些病毒被改造得更為溫和，從而大大降低了遺傳毒性。而腺相關(guān)病毒載體不易整合到宿主基因組，因而更加安全。在這一原理下，利用基因療法具有長(zhǎng)期表達(dá)和組織特異性表達(dá)治療性蛋白的特點(diǎn)，有兩種藥物設(shè)計(jì)思路：

一是將基因療法作為長(zhǎng)效的給藥方式，基于治療性蛋白反向設(shè)計(jì)基因序列，完成藥物設(shè)計(jì)，例如在wAMD中的應(yīng)用;二是將基因療法作為一種全新的治療方式，針對(duì)過(guò)去無(wú)法治療或難以治療的疾病，從基因出發(fā)設(shè)計(jì)藥物，例如Luxtuma、Zolgensma。

相對(duì)于外源導(dǎo)入基因，直接修復(fù)突變的基因無(wú)疑是更安全的選擇。通過(guò)切割需要修改的基因片段，然后利用細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制，科學(xué)家可以按照需要改變細(xì)胞原有的DNA序列，這也就是基因編輯技術(shù)。

基因編輯在近幾年得以快速發(fā)展，得益于CRISPR技術(shù)的發(fā)現(xiàn)。CRISPR最令人驚艷的是，這把基因編輯剪刀可接收人類編程指令，只搜索、綁定和剪切特定的DNA序列，這其中也包括人類的基因組序列。因?yàn)楦咝?、便捷、適用范圍廣，CRISPR技術(shù)的突破使得基因組編輯的發(fā)展進(jìn)入快車道。

需要注意的是，盡管基因編輯的治療方法在設(shè)計(jì)上最為理想，但技術(shù)上仍未突破，操作難度也極大。并且，用于生殖細(xì)胞時(shí)倫理爭(zhēng)議極大，一個(gè)被熟悉的案例就是2018南方科技大學(xué)的賀建奎在基因編輯一對(duì)名為露露和娜娜的嬰兒后，在世界范圍內(nèi)被廣泛聲討。雖然目前單堿基編輯技術(shù)(Base Editing)是該領(lǐng)域的寵兒，但基因編輯依舊還有一段很長(zhǎng)的路要走。

把經(jīng)過(guò)基因改造的細(xì)胞導(dǎo)入人體發(fā)揮作用，是第三種形式的基因治療，更多地運(yùn)用在腫瘤領(lǐng)域。這種技術(shù)主要借助CAR-T或者T細(xì)胞受體(TCR)嵌合型T細(xì)胞(TCR-T)的形式以離體基因治療的方式達(dá)到殺傷腫瘤的目的。

以CAR-T為例，這是一種新型的細(xì)胞免疫療法，利用白細(xì)胞分離技術(shù)從患者的血液中提取免疫T細(xì)胞，體外通過(guò)基因工程技術(shù)給T細(xì)胞整合一個(gè)能識(shí)別腫瘤細(xì)胞，并且同時(shí)激活T細(xì)胞殺死腫瘤細(xì)胞的嵌合抗體基因，再進(jìn)行體外擴(kuò)增改造的T細(xì)胞并回輸?shù)桨┌Y患者體內(nèi)，從而識(shí)別并攻擊自身的腫瘤細(xì)胞，達(dá)到腫瘤治療的目的。

從罕見(jiàn)病到常見(jiàn)病

不可否認(rèn)的是，在罕見(jiàn)病領(lǐng)域，基因療法正開(kāi)始讓越來(lái)越多原本無(wú)藥可醫(yī)的患者受益。

以先天性黑矇癥為例，這是一種在新生兒出生一年內(nèi)就發(fā)病的罕見(jiàn)遺傳病。嬰兒的目光不會(huì)追隨懸掛晃動(dòng)著的玩偶，對(duì)刺眼的光源卻毫不避讓。慢慢地，患者會(huì)陷入永久失明。對(duì)此，基因療法的治療策略十分有效，把病毒載體放到視網(wǎng)膜的一小塊區(qū)域，就有一些基因發(fā)生轉(zhuǎn)移。在這種疾病當(dāng)中，只要糾正了有缺陷的基因，失明的患者就可以重見(jiàn)光明。

在單基因遺傳病方面，如SCID、鐮刀狀貧血、血友病、地中海貧血、苯丙酮尿癥等基因治療也越來(lái)越多的參與其中。治療原理是基因修飾，由于單基因突變的存在，靶細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生異常蛋白或不產(chǎn)生正常蛋白，基因療法通過(guò)病毒載體將外源基因?qū)氲桨屑?xì)胞內(nèi)，以表達(dá)正常蛋白，達(dá)到治療目的。

但除了罕見(jiàn)病，事實(shí)上，相較于傳統(tǒng)藥物是直接補(bǔ)充人體所需的重要物質(zhì)(蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)物、多肽等等)或調(diào)節(jié)信號(hào)通路中的蛋白靶點(diǎn)，基因療法的作用位點(diǎn)更“上游”，在核酸水平上開(kāi)展治療。根據(jù)中心法則，理論上由蛋白質(zhì)異常導(dǎo)致的疾病，都可以通過(guò)核酸的作用來(lái)治療?；诖?，基因療法可治療的領(lǐng)域非常廣泛，在罕見(jiàn)遺傳病以外，更多的常見(jiàn)疾病類型也將有基因療法的用武之地。

前不久，巴塞爾分子與臨床眼科研究所(IOB)的科學(xué)家與德國(guó)靈長(zhǎng)類動(dòng)物中心(DPZ)-哥廷根的萊布尼茲靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究所的同事一起開(kāi)發(fā)了一種基于基因療法的全新治療方法，他們?cè)O(shè)法使用近紅外光激活退化的感光器，以通過(guò)基因療法恢復(fù)視力，這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》上。

此外，西雅圖兒童研究所的研究人員開(kāi)展的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)療法的首次人類臨床試驗(yàn)的過(guò)程也讓用于1型糖尿病的工程T細(xì)胞更接近臨床。《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》上的論文，顯示了該研究團(tuán)隊(duì)如何使用基因編輯技術(shù)來(lái)靶向人T細(xì)胞中的FOXP3基因。通過(guò)打開(kāi)FOXP3，他們?yōu)門細(xì)胞配備了專門針對(duì)Treg的說(shuō)明。

在小分子化藥時(shí)代，大分子抗體的出現(xiàn)打開(kāi)了新世界的大門，讓藥物能觸達(dá)更多的靶點(diǎn)，治療更多疾病，顯著提升人類壽命。在當(dāng)下，基因療法的出現(xiàn)也為人們打開(kāi)了另一扇大門。無(wú)論是基因編輯還是基因修飾，它們都給罕見(jiàn)病提供了新的治療方案，為人類壽命的延長(zhǎng)和生存率的提高提供了更多可能。

當(dāng)然，任何前沿技術(shù)都需要面對(duì)倫理的考驗(yàn)，從基因編輯的性質(zhì)、效應(yīng)和制度，我們依然需要更多的謹(jǐn)慎和設(shè)計(jì)。只有安全和效率并行，基因療法的發(fā)展才有可持續(xù)性。

基因療法的簡(jiǎn)介

人體疾病的發(fā)生主要是由生命活動(dòng)過(guò)程中重要物質(zhì)代謝失衡或?qū)?yīng)信號(hào)通路調(diào)節(jié)失衡所引起，其中，部分疾病是基因表達(dá)缺陷造成的對(duì)應(yīng)代謝功能缺失造成。

目前的各種療法中，不論是物理、化學(xué)或生物學(xué)的方法，都是通過(guò)重要物質(zhì)的補(bǔ)入或信號(hào)通路的控制，將人體恢復(fù)平衡狀態(tài)，或建立起新的平衡，以期減少疾病癥狀和延長(zhǎng)患者壽命。常見(jiàn)的小分子化藥和大分子抗體類藥物已經(jīng)取得了很大的成功。但這些藥物的發(fā)展也面臨著很多困境，比如小分子化藥有著組織分布、親和力等等難題，而抗體類藥物的作用靶點(diǎn)多位于膜表面，對(duì)于胞內(nèi)靶點(diǎn)甚至是染色體上的核酸靶點(diǎn)束手無(wú)策，且為了維持人體穩(wěn)態(tài)，往往需要長(zhǎng)期輸入治療性蛋白質(zhì)，工藝復(fù)雜、開(kāi)發(fā)難度大。對(duì)于很多患者來(lái)說(shuō)，終身注射是一件很痛苦的事情。

因此，基因療法作為一種可以實(shí)現(xiàn)治療性蛋白的長(zhǎng)期表達(dá)和組織特異性表達(dá)的治療方法應(yīng)運(yùn)而生，以實(shí)現(xiàn)治療傳統(tǒng)藥物不能治療的疾病，或大幅改善治療疾病的方式。同時(shí)，由于可以靶向異常的基因，在一些疾病中，基因療法也被看作能從根源上治愈疾病。