基因疗法的前世今生(一):缺什么补什么
人们为什么要搞这个所谓基因疗法,它到底是怎么样帮助我们的? 
2015-5-14 11:37:22
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王立铭

本文转载自“以负墒为生”公众号

最近本土科学家完成的一项其实技术上和概念上都没有太多亮点的研究,也就是中山大学黄军就和同事们利用一种名为CRISPR的基因编辑技术试图修复存在遗传缺陷的人类胚胎,把“基因编辑”,“CRISPR”,“基因技术改造人类”等等听起来要么高深莫测要么耸人听闻的名词一股脑推送到公众视野中。过去几周中,笔者在传统和在线媒体上看到不少连事件本身的技术背景都不甚了了、然而却已经站在伦理和道德的高层次上开展的讨论。因此不由手痒,于是有了这次这个不在构思之中的系列。

让我们从CRISPR技术改造人类胚胎的热门事件抽身回望和重温历史,好好掰扯掰扯关于基因疗法治疗疾病的那些事儿吧。就像我们讲过的瘦素和他汀药物的历史一样,这也是一段科学发现和商业开发之间一段满是爱恨情仇的故事。

基因疗法(gene therapy)是干什么的?

在正式开始讲述基因疗法的科学原理和历史沿革之前,让我们先倒退一步,先搞搞清楚人们为什么要搞这个所谓基因疗法,它到底是怎么样帮助我们的?

这个问题,如果专业的回答可能要扯上上千字。不过笔者也可以用一句话勉强应付着回答:基因疗法主要的目的是治疗单基因遗传病的。

那么,什么是单基因遗传病呢?

在现代医学的字典里,能够清楚命名和定义的疾病就有成千上万种。但是我们或许可以按照病因,把它们粗略的画在一条连续的疾病光谱上:光谱的一端是完全由外源因素引起的疾病,代表是病原微生物引发的疾病,诸如人类免疫缺陷病毒(HIV)引起的艾滋病(AIDS)、结核分歧杆菌引起的肺结核等等。在日常生活中经常困扰我们的感冒、发烧、绝大多数也是由细菌或病毒感染引起的。

而光谱的另一端则是完全由内源因素引起的疾病,也就是遗传病。我们知道,我们每个人的高矮胖瘦黑发碧眼等等性状,很大程度上是由我们从父亲母亲那里分别继承来的两套遗传密码--隐藏在每一个细胞深处的基因组DNA序列--所控制的。读者们即便不是科学背景出身,可能都还会记得初中生物课上学到的遗传信息控制性状的经典例子,例如单/双眼皮、ABO血型、卷舌与否等等。而如果人类基因组上某些特定基因,因为某种原因出现了DNA序列的遗传改变,从而使得人体某种生理活动出现异常所导致的疾病,我们一般笼统称为遗传病。

这类疾病中有病因学相对简单的所谓“单基因”疾病。比较为人所知的例子诸如地中海贫血症(“地贫”),是由于人体基因组中编码血红蛋白的基因(HBA1, HBA2, HBB)存在遗传缺陷,导致血红蛋白携带氧气的功能降低从而产生的疾病。白化病也是一个相似的例子,它是由于基因组里编码酪氨酸酶(Tyrasinase)的基因产生变异、从而失去合成黑色素的能力而产生的。当然,也存在大量由多个遗传缺陷共同参与引发的所谓多基因遗传病。其中一个在国内媒体上曝光率较高的例子,是俗称“兔唇”的先天性唇腭裂。目前已知可能与先天性唇腭裂发病相关的遗传缺陷就多达数十种。很自然的,由于在多基因遗传病里每一个疾病相关基因对疾病的贡献通常是一个很小的数字,因而相比单基因遗传病,完全理解多基因遗传病的病因显然要困难许多。


另一种较为知名的单基因遗传病:囊肿性纤维化(cystic fibrosis)。这种疾病是由于人类7号染色体上一个名为CFTR的基因发生突变丧失了功能导致的。CFTR基因编码一个细胞膜上的离子通道,能够将水分子在细胞内外运输,对于身体各组织分泌粘液至关重要。CFTR基因缺陷会导致细胞分泌物粘度上升从而形成囊肿。图中可见囊肿性纤维化病人肿大的指节。

而在光谱中央位置,分布着如恒河沙数般的大量疾病种类。按照目前医学的理解,它们的病因是内源和外源因素共同作用的产物。比如说深刻困扰现代社会的各种“现代病”,包括高血压、高血脂、精神类疾病如抑郁症等等。有大量的人类遗传学和流行病学研究显示,这些疾病的病因既有遗传因素的贡献,例如高血压症状存在一定程度的家族性遗传的倾向,一个人如果长辈中出现过高血压病史,自身患高血压的可能性也会增大;同时这些疾病的发生也有环境和生活习惯因素的贡献,例如缺乏运动、碳水化合物和饱和脂肪酸摄入过多都是二型糖尿病的诱发因素。

顺便扯一句,困扰笔者三十年的高度近视,目前也被普遍认为是遗传因素和环境因素共同作用的产物:大规模人群的家系分析已经发现了数十个与近视发病高度相关的遗传位点,而与此同时,近距离工作和缺乏户外运动也被证明与近视发病有密切的关联。


近年来亚洲国家的近视发病率屡创新高。除了上图所展示的数字(香港、台湾、新加坡、韩国)之外,据信中国高中生的近视发病率也已经高达77.3%。这其中既有亚洲国家普遍重视教育、轻视户外活动的因素,也有亚洲人群中近视易感基因比例较大的因素。

看到这里读者可能会问,相比起糖尿病、高血压和近视眼,相比起艾滋病、肝炎和各种细菌感染,甚至是相比各种多基因遗传病,单基因遗传病似乎离我们相当遥远啊?即便是相对熟悉的地中海贫血症、白化病,我们也更多的是从新闻里而不是从自己的生活圈子里看到感受到。那么我们为什么要大费周章,搞出一整套所谓基因疗法的系统去解决这些相对小众和“冷门”的疾病呢?用这些精力和资源开发更好的治疗手段,更好地帮助我们对抗糖尿病,对抗高血压,对抗各种病毒细菌的侵袭不是更好么?

抛开“每个生命都同等重要”的伦理逻辑不谈,答案里面其实蕴涵着两套出发点不同,但却同等要紧的逻辑。

从技术层面出发的逻辑是,我们不得不遗憾的承认,依据我们目前的知识水平和技术储备,我们能够有足够信心设计基因治疗的方案从而实现有效治疗的疾病,也主要是单基因遗传病“而已”。具体原因后文中我们会慢慢涉及。

然而读者们也不要就此绝望。因为这里隐含的第二个逻辑就是,如果我们能够有效地理解和治疗单基因疾病,那么以此为技术储备和出发点,我们应该有能力循着知识积累和技术进化的路径,慢慢的逼近和攻克更复杂、更顽固、也更加普遍的疾病。就像莱特兄弟飞了十几秒的飞行者一号飞机百年后化身在平流层展翅翱翔的波音空客,也如同如今一枚苹果手表的运算能力要远远超过五十多年前装满几间屋子的庞然大物ENIAC,人类过去数百年自我进化的能力让我们有理由对基因疗法更广泛的用途保持乐观。

看到这里,如果读者们已经对单基因遗传病有所了解,也开始相信针对单基因遗传病的治疗不仅对患者个人而且对整个社会的进步是有意义的话,你们一定会迫不及待的问一个问题:

说了这么多,到底什么是基因疗法啊?它又是怎样帮助我们治疗单基因遗传病呢?

基因疗法到底是什么?

知道了什么是单基因遗传病,读者们应该会很容易理解基因疗法的基本概念了:笼统而言,基因疗法就是把导致遗传病的基因缺陷通过各种手段给“修补”好,从而让减轻或治愈相关的疾病的办法。

举个例子吧,例如有一种名为重症联合免疫缺陷症(ADA-SCID)的罕见遗传病,其发病率小于十万分之一,而患者的免疫功能几乎完全丧失。这种疾病是患者第20号染色体上一个编码腺苷脱氨酶(ADA, adenosine deaminase)的基因出现遗传突变失去原有功能导致的。抛开其背后的复杂病理的分析不谈,一个简单的治疗这种疾病的思路就是“缺什么补什么”,干脆在人体里放回一个正确的ADA基因就行了,放回去的“正确”ADA基因能够编码功能正常的腺苷脱氨酶,从而恢复患者的免疫机能。

如果您看到这里还没有迷惑,那么恭喜您已经掌握了基因疗法的基本要领。事实上,人类历史上基因疗法的首例临床应用,就是1990年,美国国家卫生研究院的William French Anderson医生成功治疗了一位四岁小女孩的重症联合免疫缺陷症。


William French Anderson医生和他的小病人Ashanti DeSilva. 在1990年,Anderson医生和合作者们从DeSilva体内抽取白细胞,将能够正确编码腺苷脱氨酶的ADA基因插入了这些白细胞基因组DNA序列中,再将这些白细胞重新输回DeSilva体内。在之后的检测中,医生们证实了DeSilva体内的白细胞确实可以正确的合成腺苷脱氨酶。这例手术是基因疗法历史上里程碑式的事件。

值得注意的是,尽管DeSilva至今仍健康的生活着,但是她需要经常性的接受类似的手术以确保基因疗法的持续性(一个重要的原因是,人类白细胞的寿命只有数月,因此需要每隔几个月利用基因疗法“修改”新生的白细胞)。同时,她还需要定期注射长效腺苷脱氨酶蛋白(下文会继续涉及)。因此,在清晰的历史意义之外,DeSilva的康复本身在多大程度上可以认为是基因疗法的成功仍然难以界定。

在这种原教旨主义的基因疗法定义之外,笔者认为我们不妨把另一种治疗思路也纳入基因疗法的范畴中。还是用重症联合免疫缺陷症做例子吧,既然患者的ADA基因出现缺陷,无法合成正常功能的腺苷脱氨酶,那么除了把正常的ADA基因放回患者基因组DNA中之外,还有一个治疗的思路就是,干脆直接给患者注射功能正常的腺苷脱氨酶。事实上,首例基因疗法应用中的小病号,Ashanti DeSilva,就是通过两种办法的联合使用重新获得健康的。


总部位于美国马萨诸塞州的健赞(Genzyme)公司。健赞是利用人工合成的蛋白质治疗单基因遗传病的先驱之一。这家公司最为中国读者所熟悉的产品,大概是用于治疗戈谢病(Gaucher's disease)的药物思而赞(商品名Cerezyme,通用名imiglucerase)。戈谢病患者需要终身使用这种药物,而这种药物是全世界最昂贵的药物之一,年度费用高达数十万美元。在中国,由于没有被纳入医保,戈谢病的患者要承受巨大的经济压力,而这也成为社会呼吁罕见病纳入医保、加强国内孤儿药物研发的动力之一。2011年,健赞被法国赛诺菲公司(Sanofi)以201亿美元收购,成为后者的全资子公司。

在1990年之后,世界范围内有超过一千六百例基因疗法的临床实验陆续开展,医生们在世界各地充满乐观的挽起袖子打算攻克一个个单基因遗传病,确实也在上千例患者身上收到了相当不错的效果。从原理上看,基因疗法的逻辑似乎并不难理解,对于中国读者来说可能还要更容易一些:这不就是传统经验里“缺什么补什么”的现代医学版本嘛。那么我们是不是可以乐观的期待,至少在可预见的时间里,人类单基因遗传病会得到全面而有效的治疗,然后我们就可以以此为出发点开始征服更复杂的遗传疾病呢?

答案是令人失望的“不是”。

基因疗法的瓶颈在哪里?

轰轰烈烈的上千起临床试验给出了一地鸡毛式的成果。在几千例成功实践之外,绝大多数基因疗法的尝试半途而废。而即便在成功的方法中,每年接受治疗的患者数目也极为有限。与此同时,反倒是几次失败的案例震惊全球,极大地阻碍了这类技术在临床层面的探索和应用(我们下文会继续讲到这些失败)。

其中的瓶颈有许多。一个显而易见的非技术瓶颈是,基因疗法本质上是完全“个体化”的。每一例病人的治疗,都必须针对病人自身的细胞和基因组进行操作(请回忆上文提到的首例基因疗法的操作过程),因此无法通过规模生产有效地降低成本。据测算,基因疗法的成本接近每位病人2百万美元,同时需要专门医疗团队长时间的追踪,高昂的代价阻止了这项技术的大规模推广。

而在技术层面,有两个难以撼动的障碍从基因疗法的概念在1970年代诞生起就一直困扰着科学家和临床医生。甚至到今天,我们都很难说对它们有足够的胜利把握。

我们首先看看第一个障碍:如何让治疗疾病的DNA进入人体细胞?

我们还是可以借用重症联合免疫缺陷症的例子。我们已经看到,治疗这种疾病的核心就是让病人重新拥有功能正常的腺苷脱氨酶,不管是把正常的ADA基因引入患者基因组DNA,使得患者的细胞可以重新自身合成正常的腺苷脱氨酶,还是直接在患者身体内注射正常的腺苷脱氨酶蛋白,应该都可以起到类似的治疗效果。

但是且慢,腺苷脱氨酶是一个分布极其广泛、功能非常重要的蛋白质,几乎所有人体细胞都表达这个蛋白质。我们目前认为和重症联合免疫缺陷症相关的主要是表达在人类白细胞、特别是淋巴细胞和巨噬细胞中的腺苷脱氨酶。因此如果想达到理想的治疗效果,我们需要把ADA基因引入大量的白细胞中,这样人体才能合成足够量的腺苷脱氨酶。可以想象,如果ADA基因仅仅被导入到数量有限的白细胞中的话,其能够合成的正常腺苷脱氨酶是很有限的,治疗效果也就难言理想。事实上,即便是首例成功接受基因疗法的重症联合免疫缺陷症患者Ashanti DeSilva,也仍然需要定期重新接受基因治疗并辅助注射长效腺苷脱氨酶蛋白才能保持健康。

在几十亿年漫长进化中形成的人类身体是一架运转及其精密的机器。不,其实类比机器是对人类身体机能和构造的贬低,因为人类所制造的全部机器,还没有任何一台能在结构、功能、鲁棒性、可塑性等等任何方面能够与人类自身相提并论的。人类身体内的细胞种类、分布和结构极其复杂,就拿我们这里涉及到的淋巴细胞为例,其产生于包括胸腺和骨髓在内的淋巴器官,受微观环境和相关信号因子的刺激而成熟并迁移至身体各处,在面对外来病原刺激后大量增殖并发挥免疫功能。这些细胞的形态、位置、生命周期复杂多变,想要在实验操作中把ADA基因准确的插入到所有这些细胞中(或者至少是一大部分这些细胞中),又谈何容易!

在实验室研究中,生物学家们其实已经发展了不少将外源基因引入细胞的人工方法。比如我们通过电击在细胞膜表面产生微小的穿孔,从而允许DNA自由进入;我们也可以将DNA包裹在类似细胞膜结构的脂质体内,通过细胞膜融合进入细胞等等。但是面对大量的人类细胞,类似的操作仍然显得效率过于低下。因此在临床应用中,科学家和医生们更多的还是要借助大自然的力量。

大自然的力量当然说的不是求神拜佛,也不是听天由命。科学家和医生们手里的工具,说起来可能还有些可怕,它们是要动用人类最先进的成像工具才能勉强看见、但却可以轻而易举的摧毁生命的病毒。

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