自從1958年,DNA的雙螺旋結構被發現以來,一系列關于基因信息的編碼和傳遞的規律被發現。人類基因組計劃的完成,使得人類開始系統、全面的分析解讀人類的基因信息。基因解碼成為后基因組時代的主旋律。基因信息技術的進展是相互嵌合、相互促進的。基因測序技術的出現,促進了基因解碼;而基因解碼的結果導致了基因編輯技術。基因編輯技對生物體的性狀、疾病機理的改變,又進一步驗證、改良了基因解碼技術。而基因矯正則是經過設計的基因編輯,是人類主動的、有計劃、有設計的基因編輯技術,是基因編輯技術的實際應用。

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編輯編年史可以追溯到30年前,第一次基因編輯是在酵母細胞實驗中完成。但是直到過去五年,隨著CRISPR技術出現并且迅速成為目前最受歡迎的基因編輯手段,誕生于上世紀70年代末的重組DNA技術才真正被視為在人類新藥研發中取得了革命性進步。而定點的,消除脫靶效應的、更為精準基因編輯——基因矯正技術則為基因病、罕見病、遺傳病的徹底治療帶來了希望。

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基因信息是控制人體的生理、心理和疾病狀態的核心信息,是線狀的DNA分子的形式存在。基因編輯具有類似“手術刀”的用用,可以通過切除、改變、重排的方式,修盡管基因信息,從根本上治療從癌癥到罕見病、基因病、遺傳病的大量疾病。同基因解碼技術、干細胞人造組紛工程技術結合起來,基因編輯技術將參與到新的醫療時代的來臨,將從根本上變革現代醫療技術。大量創新公司正在引領基因編輯治療產品的開發工作,并吸引了來自風險投資機構和制藥公司的大量投資。然而,我們也應該謹慎地看到,基因編輯產品成為常規療法之前,還需要解決定價和公共衛生政策等這些重大技術挑戰。但是科學技術推動的歷史發展的車輪從會采用各種辦法,解決它的推廣和應用所面臨的各種桎梏。

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自從佳學基因成立以來,曾任國際細胞治療協會副主席的黃家學博士就從多個角度宣傳和推廣基因解碼、基因矯正和人造組織器官技術的結合對人類社會發展所能帶來的巨大變革。

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基因編輯的過去

佳學基因概述人類的基因編輯編年史是從30年前開始,第一次基因編輯是在酵母細胞實驗中完成。基因編輯技術使得動植物品種得到了極大的豐富、藥品和食品的生產工藝得到了提升,我們獲得了大量的生物工程藥品去治療一大批疾病,而CRISPR Cas9系統出現快速升級佳學基因等機構的基因編輯和基因矯正技術,被視為基因工程領域的一種革命性進步。

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基因編輯技術使用一種切割細胞中特定DNA序列的酶——核酸酶,可以按照人們的設計去對導致疾病發生的基因進行刪除,修復或替代。這些技術包括歸巢內切核酸酶(homing endonucleases,或大范圍核酸酶meganucleases),鋅指核酸酶(ZNF),轉錄激活物樣效應核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALEN)和常間回文重復序列叢集(cluster regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)。

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這一技術在2012年出現,被《科學》雜志評選為2015年度的突破技術。由于簡單性和低成本,它目前是最受歡迎的基因編輯技術,廣受學術科學家,投資者,企業家,生物制藥業內人士以及公眾之間的擁躉。

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CRISPR技術入選《科學》2015年度突破技術(圖片來源:《科學》)

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雖然基因編輯最初的重點主要針對罕見的遺傳性疾病,但它其實具有更加廣泛的應用。它可以用于攻擊傳染人類的病毒,或者通過修改蚊子等生物的基因來預防傳染疾病(如瘧疾)的傳播。

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通過在豬身上或實驗室中培育人造器官,基因編輯還可以解決人類器官移植的供體短缺難題。基因編輯技術同樣適用于農業,以改善動植物育種,為農民和消費者帶來好處。在環境保護方面,基因編輯有可能挽救受氣候變化威脅的瀕危生物,或者創造新的生物燃料作為化石燃料的替代品。

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最近,科學家們證實,基因編輯可以用來糾正人類胚胎中引起疾病的基因異常,這一做法肯定會引起倫理爭議——即基因技術應該僅限于體細胞,還是可以延伸到胚細胞,后者將會改變人類的遺傳性狀。

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簡單地說,可以將基因編輯比作為在計算機上的查找和替換,或刪除功能的文本操作。許多基因編輯技術的擁護者認為技術的適用性沒有任何限制,因為它賦予遺傳研究人員和藥物開發人員強大的編輯能力,不僅能撕下整頁(指大段的錯誤基因信息),而且可以精準的調整某個特定單詞(指某個基因,甚至是某個堿基),從而實現改變或改善特定癥狀的目標。

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Carl June教授的推動下,美國批準CRISPR技術用于人體基因編輯(圖片來源:MIT Technology Review)

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的確,最近治療性基因編輯研究的指數級增長得益于近三十年來基因治療的基礎研究突破。CRISPR出現并成為有潛力的臨床開發候選藥物只有幾年,2016年6月美國就批準了第一個臨床試驗。

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但是我們也必須看到,第一款基因療法上市花了30多年。預測治療性基因編輯產品什么時候能獲批上市并不容易。如果參照傳統基因療法的臨床開發進度,我們在對新技術的激動之外還需要更多的耐心等待。

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MPM Capital董事總經理Mitchell H. Finer博士表示基因編輯領域目前仍然有重大障礙要克服,他對該領域的公司也保持著冷靜的觀察。“在五年之內,這些早期臨床試驗必須要表現出臨床益處,否則這些公司的價值將會蒸發,”Finer博士預測:“20世紀90年代,所有的癌癥疫苗公司估值很高,后來它們都失敗了。CRISPR公司必須盡快產生有意義的臨床益處。”

基因編輯的現在

哈佛大學遺傳學教授George Church是基因組學領域的先驅之一,也是CRISPR技術發明人之一,他說:“大約2,400種基因治療已被批準進入臨床試驗,幾乎所有這些試驗都涉及增加基因,少數涉及抑制基因功能,如RNAi(RNA干擾),ZFNs和TALEN。幾乎沒有涉及精準的基因編輯。”Church教授說,當人們聽他說到基因治療領域正在開展如此多的臨床試驗時,大多數人都會感到驚訝。

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在觀察基因編輯領域時,MPM的Finer博士指出:“歸巢內切核酸酶空間仍然相當廣泛。Sangamo和Cellectis這兩家公司幾乎獨霸了TALEN領域,”Sangamo還擁有ZFN技術。

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Sangamo公司自1995年以來一直專注于基因和細胞療法的研發,他們主要的基因編輯產品使用ZFNs在體內插入產生蛋白質的基因,由遺傳基因異常引起的蛋白質缺陷是此類疾病的原因。

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Sangamo公司首席執行官Sandy Macrae博士說:“我們最近針對血友病B,MPS I(Hurler綜合征)和MPS II(亨特綜合)的人群開展了3個體內基因組編輯臨床試驗。作為一次性靜脈注射的基于ZFN的治療劑,有望將編碼缺失蛋白質的功能基因永久性地插入肝細胞的白蛋白基因中的特定位點。”

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這些臨床試驗的目標是治愈這些罕見的遺傳疾病。Macrae博士指出:“如果我們取得成功,將為下一個醫學前沿打開大門,基因編輯是治愈許多其他疾病的可行方法。”

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據介紹,Sangamo公司還擁有涵蓋TALEN技術的專利。Macrae博士指出,在同一時間,Sangamo發表了其臨床前ZFN基因編輯的成功案例,該公司的“科學家還發表了第一個高效率的TAL核酸酶(TALEN)架構”。

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但他補充說:“由于鋅指蛋白具有特異性和更大的靶向靈活性的臨床優勢,Sangamo的治療開發項目集中在鋅指蛋白上,特別是針對ZFN和鋅指蛋白轉錄因子(ZFP-TF)進行靶向基因調控”。

像Sangamo公司一樣,Cellectis公司也不是基因治療領域的新手。Cellectis首席執行官André Choulika博士說:“1999年我們開始使用名為meganuclease的核酸內切酶,這在當時是唯一的基因編輯技術”。

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該公司隨后考慮了TALEN,形成其癌癥免疫治療產品的基礎。Choulika博士認為:“今天,TALEN顯然是用于治療的領先技術”。

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他補充說,Cellectis也研究過使用CRISPR Cas9,發現“這是一種非常簡便的設計方法,連高中生都可以完成。但是,它在精準度和效率方面則遠不如TALEN”。

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Cellectis的主要臨床開發計劃專注于血液癌,如白血病和多發性骨髓瘤。Cellectis使用所謂的“通用型”同種異體的,來自健康供體的基因編輯的CAR-T細胞。除了離體編輯T細胞使其靶向癌癥之外,通過工程化修飾供體細胞,可以保護它們不被患者的免疫系統消滅。

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CRISPR編輯DNA的能力幫助科學家創造了新的遺傳生物(圖片來源:《科學》)

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MPM的董事總經理Finer博士也說了:“最有趣的事情將是CRISPR Cas9或相關的技術”。在考慮對CRISPR公司的投資時,Finer博士說:“我希望聽到創始人說,他們不依賴于已有的CRISPR Cas9知識產權”。

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CRISPR技術應用涉及到基礎知識產權的專利之爭,一個隊伍是加州大學(Universities of California)和維也納大學(Universities of Vienna),另一隊伍是哈佛大學( Harvard University)和麻省理工學院( Massachusetts Institute of Technology)。截止本文發稿時,前者在歐洲和中國的初步決議中占上風,后者在美國更占優勢。

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Agenovir是目前許多利用CRISPR技術的公司之一。該公司正在使用CRISPR Cas9系統來破壞人體細胞內的致病病毒,如人乳頭狀瘤病毒(HPV),巨細胞病毒(CMV)和Epstein-Barr病毒(EBV)。

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Agenovir公司首席執行官Dirk Thye博士解釋說:“Agenovir開發了專門針對病毒DNA的各種CRISPR核酸酶產品。我們的最新臨床計劃針對的是病毒性疾病的靶標,這些藥物在遞送上的挑戰性較低。在HPV產品中,我們使用脂質納米顆粒(LNP)對體表上皮細胞的病毒庫局部給藥”。

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另外兩個臨床開發項目涉及接受骨髓移植并易發生的MV和EBV感染的患者。在這兩個項目中,Agenovir用CRISPR產品離體處理造血細胞(在移植之前),如果病毒發生攻擊就可以敲除機會性病毒。

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對于與CRISPR相關的專利問題,Thye博士說:“CRISPR Cas9的專利環境現在特別復雜。我們認為,在未來五年里,專利形式將會變得明朗,技術許可的合理途徑也會建立”。

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MPM的董事總經理Finer博士同時認為,在開發基因編輯的現階段,釋放技術的巨大潛力主要取決于克服體內和體外向細胞提供有效荷載的障礙,然后確保精準編輯。Finer博士說:“體外基因編輯明顯是讓基因進入細胞最簡單的手段,也有很多有趣的靶標。CRISPR技術目前的問題在于體內療效,以及脫靶活性”。另外,他認為將體外基因編輯轉化為廣泛可銷售的產品,一個關鍵的未解答的問題是:“我們究竟是依照每名患者的不同來開發gRNA,還是開發出一種能應用在所有條件下的gRNA”。

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Church作為是麻省理工學院的遺傳學教授,與企業家關注的具體技術應用相比,他更多地向我們提供了基因編輯技術的全景。他說,今天對基因編輯的描述是誤導性的,因為現有的候選藥物都不代表他認為所謂的“精準的基因編輯”。

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他解釋說:“增加基因時,基因能插入到染色體的任何一個位置。要移除或是下調一個基因表達,你要么引入一個干擾分子,要么直接攻擊這個基因,把它弄成一團糟。在一定程度上,這也是隨機的”。

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而Church教授認為的“精確的基因編輯”意味著改變DNA的核苷酸成分——腺嘌呤,胞嘧啶,鳥嘌呤和胸腺嘧啶。“例如拿走一個胸腺嘧啶,補上一個腺嘌呤這樣的操作,或者是指正好移除4個堿基,不多不少”。

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對于Church教授來說,混亂地和優雅地改變基因組成是不一樣的。他說:“拿鐮狀細胞貧血來說吧。致病原因是一個簡單的點突變,腺嘌呤(A)變成了胸腺嘧啶(T)。你只需要改正這一個堿基就可以了。但事實上,我們正在不斷繞圈圈。我們會說,也許有一個基因,我們突變掉它以后,能達到同樣的效果。囊性纖維化也同樣如此,主要病因只是少了3個堿基”。

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Church教授認為目前針對遺傳性疾病的產品開發工作正在摘“低處果實”,因為“在樹頂的可能是酸葡萄”,但他補充說:“如果我們真的能像基因敲除那樣方便地實現精準的基因組編輯,我們肯定會選擇后者”。

基因編輯的未來

那么將基因編輯這種有巨大前景的科學轉化為治療性產品,未來將會如何呢?

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即使按照Finer博士的估計,基因編輯公司在五年內獲得早期臨床成功以維持投資者的積極性,他們仍然面臨重大挑戰,包括獲得這些藥物的監管審批,并將其提供給患者的病床,以便廣泛應用

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在技術方面,Sangamo的Macrae博士承認,將基因編輯產品在體內遞送到細胞仍然是有問題的。他說:“目前,我們使用AAV,它對某些器官具有強烈靶向性,如肝臟。急需解決其他器官的給藥機制,使基因編輯能夠應用于其他疾病領域”。例如,需要新載體遞送到中樞神經系統中以治療神經變性疾病如阿茲海默病,輸送到肺中以治療囊性纖維化。如果可以將鋅指蛋白遞送到肝臟以外的組織,基因組編輯的治療潛力大大增加。

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Cellectis的Choulika博士同意新的載體技術是必需的,并補充說,脫靶編輯是另一個必須解決的問題。他說:“通過DNA-蛋白相互作用(不涉及RNA)的核酸酶有望減少脫靶效應”。

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一旦產品的技術細節得到解決,監管的成功突破,商業規模的制造就會成為另一個關注的問題,Thye博士相信隨著基因編輯行業走向成熟,制造工藝無疑也會迎來里程碑。他認為,目前“供應商數量相對較少,GMP制造經驗較少,大規模制造經驗有限,臨床試驗成功案例不足,都是這個領域的挑戰”。然而,許多基因編輯公司已經花費了大量的時間,金錢和努力來應對這些挑戰。

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除市場批準和制造之外,另一個障礙是定價,這是一個涉及科學家,企業家和風險投資家的公共政策課題,這可能需要全新的醫療保險報銷方案。Macrae博士談到:“商業化模式最終將需要解決,一旦我們越過屏障,醫療界將會找到解決方案。在這一點上,這也意味著社會需要仔細評價能夠一次性治愈的藥物和定期終身服用的藥物”。

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例如,第一種批準的基因療法Glybera的價格為140萬美元一個療程,它可以根治脂蛋白脂肪酶缺乏癥。據報道,這個史上最貴的藥物,是以治療酶替代療法的年費為基礎計算的定價。

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uniQure公司的Glybera是一款使用AAV載體的基因療法,2012年被歐洲藥品管理局批準上市(圖片來源:維基百科)

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盡管基因編輯在藥物的開發方面得到了廣泛關注,但是Church教授再次把眼光擴大到其他已經在使用基因編輯的農業和野生動物領域。基因驅動(gene drive)就是這樣一個例子,它可以強制性地實現特定遺傳特征的遺傳,例如通過基因工程蚊子來防止瘧疾傳播。

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Church教授在哈佛的課題組是首批公開提到基因編輯這些影響的團隊之一,他們也討論了潛在的解決方案,包括生物控制、反向驅動、以及“雛菊驅動”(daisy drives,一種能自我限制的驅動系統)。

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Church教授解釋說:“人們不想讓生物失控跑到野外,自己又無法將它帶回。我們能預見到一個潛在問題是,基于CRISPR基因編輯的驅動方式是不可逆的。因此我們在可逆性和控制性上做了不少工作”。

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除了這些有待解決的問題之外,對基因編輯的潛在影響的擔憂也影響技術應用。風險資本家Finer博士說,他從藥物開發的角度來看待基因編輯。“這是武器庫的重要補充,但基因編輯(的意義)并沒有原子分裂那么偉大”。

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Church教授作為一名院士,他正在開發一個更先進的“新的基因組技術生態系統”,包括閱讀和編寫遺傳密碼。他說:“我認為真正的突破在于我們在‘讀取(read)’和‘編寫(write)’DNA上取得的進步。這能帶來巨大的影響,它包括添加基因,刪除基因(或降低基因表達),以及精準編輯。最終,我們能在任何想要的地方,寫入任何你想要的基因”。

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毋容置疑的是,基因編輯作為人類歷史上的重大范式轉變,遠遠超過智人崛起以來的任何事情。人類的命運現在掌握在我們手中

基因矯正

基因編輯是一個研究領哉的術語,基因矯正是一個應用領域的技術。曾任國際細胞治療協會副主席的黃家學博士在中源協和干細胞生物工程股份公司推動了干細胞產品體系的市場化,在提出干細胞與基因解碼雙核驅動的發展策略后,建立了佳學基因基因解碼平臺。通過基因解碼平臺,對基因病、罕見病和遺傳病發生的基因序列進行鑒定,為基因編輯提供基因信息指引,實現對致病基因的矯正。中國在移動支付、高鐵領域率先引領全球之后,有望通過基因矯正在治療難治疾病領域再一次引領世界的發展與進步。