基因治疗的前世今生(三):成也病毒,败也病毒(下)
科学家和医生们利用病毒这种相对高效和安全的载体,将能够治疗疾病的DNA导入患者细胞中的尝试。 
2015-5-19 11:40:34
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王立铭

本文转载自以负墒为生微博


上接一:基因疗法的前世今生(一):缺什么补什么

上接二:基因治疗的前世今生(二):成也病毒 败也病毒(上)



上回书我们说到,科学家和医生们利用病毒这种相对高效和安全的载体,将能够治疗疾病的DNA导入患者细胞中的尝试。1990年,这种尝试终于结出硕果,首例基因治疗取得了令人瞩目的成功,而在此之后的十年间,上千例基因治疗手术在全世界各地开展。


那么,是不是基因疗法的第一个技术瓶颈已经迎刃而解,人们只需要找到合适的病毒,就能够帮助我们安全高效的进入所有希望进行遗传改造的细胞呢?


是,也不是。我们已经看到,病毒在帮助我们进入细胞、运送治疗疾病的遗传物质的问题上确实居功至伟。但是很快,两起同样震动世界的临床案例给急急忙忙赶着基因治疗热潮的人们兜头一盆冰水。病毒载体的安全性问题被一种悲剧性的方式呈现在人们面前。


Jesse Gelsinger:“死于生物技术”


在基因治疗的狂热中,1999年9月17日,18岁的亚利桑那男孩Jesse Gelsinger在美国宾州大学参加一项基因治疗的临床试验时不幸去世。


这是基因治疗诞生近十年以来第一例死亡病例,理所当然的收到了生物医学界、产业界和普罗大众的关注。就在当年,纽约时报的记者Sheryl Stolberg甚至用“死于生物技术”(A biotech death)来描述这场悲剧。


Jesse Gelsinger的照片。Gelsinger悲剧性的去世为整个基因治疗领域蒙上了阴影。


Jesse在两岁时被诊断出患有罕见的鸟氨酸氨甲酰基转移酶缺乏症(OTC,Ornithinetranscarbamylasedeficiency)。简单来说,这种单基因遗传病破坏了Gelsinger体内蛋白质代谢的机能,Jesse一旦蛋白质摄入过量,体内将会迅速积累大量的氨分子,从而危及生命(事实上,Jesse两岁时最早出现的症状也是不愿意吃牛奶和肉类,只喜欢吃马铃薯等食物)。所幸Jesse的病情在此类病人中其实还并不算异常严重,依靠严格控制的饮食(主要是蛋白质摄入量极低)以及药物治疗,Jesse还算是磕磕绊绊的长大成人了。


进入青春期的Jesse开始慢慢的对自己与生俱来的恼人疾病、日夜不断的服药(严重时他甚至需要每天服用50片药物!)、一年到头不断地需要因为这样那样的意外情况住院治疗感到厌烦了。与此同时,一直照顾他生活的父亲面对Jesse高额的医疗账单也一筹莫展:他的父亲离婚又再婚,需要照顾两个家庭六个孩子的压力可想而知。


就在疾病要压碎这个孩子和整个家庭的边缘,Gelsinger一家听说,在东海岸的宾州大学,一项针对OTC的临床实验正在进行。


后来发生的一切显得那么顺理成章:1999年6月,Jesse高中毕业,随后一家人前往纽约的伯父家旅行,旅行结束后,Jesse独自前往费城的宾州大学,正式签订了参加临床实验的知情同意书。Jesse被告知,他将要参加的仅仅是临床一期的试验。在此期间,将要注射到自己体内的是不携带OTC基因的“空”病毒,试验的目的是为了检验整个流程的安全性而非治疗效果。但Jesse最终还是欣然同意加入。


据他的好朋友回忆,Jesse在签字之后曾经说道,最坏的结果“无非是我会死,而这至少能够帮助(患有同样疾病的)孩子们”。


我们已经很难猜测,年轻的病人说这番话时的心情,更多是调侃,是厌倦,是乐观,还是对未来的无所畏惧。因为就在接受病毒注射的9月13日当晚Gelsinger便陷入高烧和深度昏迷,在几天之内他的多个脏器出现衰竭症状。


9月17日,Gelsinger被诊断为脑死亡。数周之后,他的骨灰被装进生前用到过的堆如山积的药瓶,由父亲和亲友们带上海拔九千英尺的山峰(Mount Wrightson),撒向Jesse生前最喜欢的山谷。


细胞因子风暴:病毒的诅咒


Jesse Gelsinger的死亡使基因治疗的热潮迅速降温。


多方组织的事后调查中发现,宾州大学的临床医疗团队在招募和治疗Jesse Gelsinger的过程中,有明显的违规和过失行为。例如,美国食品药品监管局明确规定,参加临床实验的病人必须由临床医生而非临床试验的主持者招募,以避免病人受到临床试验研究者的蛊惑或诱导。而在Gelsinger的案例中,这名男孩却是由临床试验的主持人之一Mark Batshaw直接通过网页招募的。


而更为严重的,还有病人知情权的问题:在Gelsinger接受病毒注射之前,研究者其实已经发现,实验中所用到的腺病毒会对实验猴子造成严重肝损伤、甚至死亡;而在Jesse Gelsinger之前,已经有十七位患者接受了临床一期试验,其中也有一位患者出现了严重肝损伤。这些信息说明该项试验本身存在对肝脏造成损伤的风险,理应在试验开始前告知所有受试者。但是这些信息却并未包含在Jesse Gelsinger所看到的知情同意书中。这些伦理和法规问题一经公开,立刻引发了公众和监管部门对基因疗法的广泛质疑。


“我们每个人都对所发生的一切负有罪责”,美国罕见病协会主席Abbey Meyers事后说道。她也是当初批准宾州大学这一项临床试验的专家成员之一。


而事实上,这些在监管程序上“钻空子”的行为本身,就说明了一个严重的问题:在此之前的十年里,尽管基因治疗的疗效有好有坏,但人们对基因治疗的安全性一直抱有这样的期待:既然是植入人体“天然”的、“原有”的遗传物质,那么至少这样的手术操作应该是“无害”的;尽管从逻辑上讲,这和很多国人相信天然物质就一定没有毒一样天真的近乎弱智。Jesse Gelsinger的去世让人们终于开始正视基因治疗的潜在风险;而且近乎黑色幽默的是,这些其实是在科学上从未被厘清、早该被正视的风险。


我们知道,尽管病毒已经进化出了出神入化的寻找、定位、侵入、利用人体细胞的能力,但久经考验的人体的抵抗力也不遑多让。人体的免疫系统可以动用各种精妙的机制发现和清除侵入人体的各种病原微生物,其中当然也包括病毒。因为篇幅所限,笔者不能展开来描述其中的机理。简单来说,当病毒侵入人体之后,人体的自发免疫系统(innate immune system)会迅速识别病毒,并相应的释放大量的细胞因子(cytokine)进入被侵染的区域。这些细胞因子能够发挥迅速扩张血管、增强血管通透性、提高组织温度等功能,能够引导专一杀伤病原体的免疫细胞进入该区域。而进入该区域的免疫细胞会更进一步释放细胞因子。这一正反馈循环会有效地在被感染部位积累大量免疫细胞发挥功能。而如果正反馈循环得不到有效地控制,过度积累的免疫细胞和细胞因子会对所在组织造成严重的破坏,甚至导致死亡。


2011年香港街头,在禽流感发病报告出现后,检疫人员正在扑杀禽类。事实上,与大多数人的理解不同,不少感染性疾病的致病和致死原因并非病原感染本身,而是病原感染之后引发的人体强烈的免疫反应。读者们较为熟悉的例子包括H5N1型禽流感。H5N1禽流感病毒可以在肺部激发上百种细胞因子短时间内的集中释放(又称为细胞因子风暴/cytokine storm),从而造成肺部乃是全身器官的衰竭。这也是H5N1禽流感高致死率的原因。


而在Jesse Gelsinger的例子中,正是用作治疗载体的腺病毒(adenovirus)入侵导致的强烈免疫反应,最终导致了他的死亡。医生们甚至推测,也许Jesse Gelsinger在此前曾经感染过类似病毒,因此他体内的免疫系统对同类病毒的反应更加激烈和敏感,这也是为何在18名接受一期临床试验的患者中,只有他不幸去世。


Jesse Gelsinger的死对整个基因治疗领域的影响是极其深远的。


从此之后,任何基因疗法的设计者和执行者,都必须如履薄冰的应对随时可能出现的人体过激免疫反应的风险。而尽管理论上我们可以通过挑选和修改病毒载体使得发生免疫反应的可能尽量变低,但由于患者之间巨大的个体差异,想要完全避免免疫反应的发生,实际是极端困难的。


祸不单行


悲剧还没有结束。当基因治疗领域慢慢开始从Jesse Gelsinger的死中汲取教训,继续前进的时候,另外一场悲剧又一次沉重打击了基因治疗拥护者的信心。


那是在2003年。一份来自伦敦和巴黎的报告声称,有五名接受基因治疗的儿童被发现患上了白血病。


这项注定要伴随着欢呼与泪水而载入史册的临床试验开始于1997年。受到Anderson医生1990年历史突破的鼓舞,伦敦和巴黎的医生们也计划用类似的病毒载体(莫罗尼小鼠白血病病毒MoMLV)治疗儿童的重症联合免疫缺陷症。唯一的不同是这些孩子们的疾病不是由于ADA基因缺陷导致,而是由于位于X染色体上的IL2RG基因突变缺陷导致,因此也被称为X连锁重症联合免疫缺陷症(SCID-X1)。


读者们可能还记得上回书中我们讲到,1990年治疗Ashanti DeSilva时,Anderson医生需要从小病人体内抽取白细胞并加以改造。这样操作比较简单,因为白细胞可以直接从血液中纯化出来。而带来的问题就是必须每几个月重复一次类似的手术操作,因为血液中的白细胞平均只能存活六个月到一年。为了改进手术流程,这次欧洲的医生们决定直接对白细胞的“工厂”下手。他们从小病人的骨髓里提取出造血干细胞并加以改造,这些改造后的造血干细胞可以源源不断的制造新生的、没有遗传缺陷的白细胞,从而可以避免周而复始的手术循环。医生们期待,经过一次基因治疗的小病人可以受益终生。


从事后来看,这一治疗方法的改进恰恰成就了白血病的诅咒。


在1999年首例手术之后,耐心的医生们等了足足两年半的时间持续追踪所有的小病号,在2002年他们终于确信,所有病人的免疫机能都得到了良好的恢复,也没有观察到任何严重的副作用。于是医生们在当年四月的《新英格兰医学杂志》上发表了临床数据,并特别指出,针对造血干细胞的基因操作,将大大推动对罕见遗传病的治疗。


而仅仅数月之后,2002年秋天,一位男孩被确诊为白血病。到2003年秋天,所有接受基因治疗的小病号中,有五位被确诊白血病!


一直没有放松警惕的医生们迅速找到了原因。和Jesse Gelsingler的案例类似的是,原因仍然和病毒载体相关,原因仍然早在科学家的理解范围内。


我们已经讲过,Anderson医生在1990年使用的病毒载体,莫罗尼小鼠白血病病毒,是一种逆转录病毒。逆转录病毒的特性在于,其遗传物质是核糖核酸RNA,进入人体细胞后需要先“逆转录”成DNA的同时插入人体基因组DNA,因此可以长期稳定的存在于人体细胞内。医生们正是利用逆转录病毒的这一特性,保证基因治疗的持久性。


然而随之而来的问题就是:当逆转录病毒插入人体基因组DNA的时候,它究竟会插到什么位置上去?


我们知道,和所有物种一样,人类基因组DNA上也保存着关于我们每个人的遗传密码:我们的身高、长相、血型、甚至个性和智力,都可以或多或少从基因组DNA携带的信息上找到根源。长长的基因组DNA分子上像项链一样串起一个个“基因”,正是这些“基因”的差异带给我们参差多态五彩斑斓的人类社会。


而如果病毒分子碰巧插入的是负责重要功能的基因位置,甚至破坏了这个基因的原有功能,就有可能导致疾病。事实上,用于基因治疗载体的莫罗尼小鼠白血病病毒本身,就是因为插入小鼠基因组DNA时会插入并激活一个名叫Bmi-1(B-cell-specific moloney murine leukemia virus insertion site1)的基因,从而诱发小鼠白血病而得名的。这一次,莫罗尼小鼠白血病病毒被改造后用于人类疾病的治疗,而它插入和破坏的基因变成了人类基因LMO2(LIM domain only 2)。


事实上,和Bmi-1一样,人们也早已知晓LMO2的异常激活会导致白血病。只不过,Anderson医生的成功和科学家对莫罗尼小鼠白血病病毒的改造,让大家乐观的相信这种病毒已经被拔去了尖齿利爪,不会再有威胁了。而这次欧洲的医生们采取的骨髓干细胞基因治疗的策略更进一步强化了这种威胁:与血液中的白细胞不同,骨髓干细胞可以终身存活并产生白细胞后代,因此骨髓干细胞的癌化会持续性的产生变异的白细胞,从而导致白血病。


于是就像Jesse Gelsinger的悲剧一样,错误就在漫不经心的忽视和一叶障目的狂热中,一步步变成了命运。


在绝望中寻找希望


两场接踵而至的悲剧对整个基因治疗领域的打击是极其沉重的。


各国监管机构立刻采取行动,叫停了几乎所有正在进行的基因治疗的临床试验,并组织了更强有力的专门委员会,负责对基因治疗的临床申请进行审核。当然,绝大多数科学家和医生们的职业操守和专业技能经得起考验,大多数基因治疗的试验随后仍然能够及时恢复进行。但是大众媒体的地毯式宣传在公众中造成了不可挽回的恐慌和不信任感。许多医生发现,他们的试验想要招募患者越来越困难了。


容笔者插句感慨,其实很多时候,不切实际的狂热乐观和理想幻灭的万念俱灰,两种截然相反的情绪反应其实是孪生子。当我们对一个东西抱有过度的热爱和憧憬时候很容易忘掉或忽视客观存在的问题和风险,而当客观现实无比倔强的证明自己的时候,一直沉浸在幻想中的人们很容易直接坠入漆黑无比的绝望深渊。


和所有时候一样,科学和理性是对抗这两种极端情绪的最好武器。


因此在公众陷入绝望的时候,还是科学家们最早返回战斗状态,在质疑和批评中寻找希望。


首先是全面和冷静的分析。2002年之后,医生们持续追踪当初接受基因治疗的那20个小孩子的健康状况。五名罹患白血病的孩子,有一位不幸去世,其他四位在接受化疗后痊愈。而所有这些孩子,在十年后仍然健康如故。对骨髓干细胞进行基因治疗成功的治愈了他们的严重免疫缺陷。从这个角度出发,这种治疗方法比Anderson医生的方法要进步了许多。起码,孩子们不需要每隔半年就接受一次痛苦漫长的基因治疗了。


接受针对SCID-X1的基因治疗后痊愈的孩子。重症联合免疫缺陷症的孩子因为免疫机能几乎完全丧失,只能在完全无菌的密闭房间中生活,像是生活在肥皂泡里,因此被昵称为“肥皂泡婴儿”(bubble baby)。而即便如此他们当中的大多数也会在出生后几年内因为感染死去。接受基因治疗后,这些孩子们可以真正走出肥皂泡,和正常孩子一样快乐的生活长大。


与此同时,对病毒载体的不断优化和改良也在世界各地的实验室里不间断的进行着。科学家们首先改进了之前使用的莫罗尼小鼠白血病病毒的载体,使得病毒整合到人类基因组之后,激活附近的基因表达从而诱发癌症的可能性大大降低。与此同时,鉴于以莫罗尼小鼠白血病病毒为代表的逆转录病毒,在整合插入人类基因组时或多或少具备某些专一性(例如上文提到的LMO2和Bmi-1),从而提高了其诱导癌症的几率,科学家们还把目光转向了其他种类的病毒,特别是慢病毒(lentivirus)。


慢病毒这词对于很多读者应该非常陌生,但是笔者说出慢病毒家族一个成员的名字大家绝不会陌生:人类免疫缺陷病毒(HIV),大名鼎鼎的艾滋病的罪魁祸首。


和其他逆转录病毒一样,慢病毒在侵染人类细胞后也会将自身的遗传物质整合插入人类基因组DNA。但是慢病毒一个奇妙的特性在于它插入基因组没有多少专一性,至少从目前的数据来看,基本是随机插入的。这就大大降低了慢病毒载体集中插入一个癌症相关的基因附近,从而诱发癌症的可能性。自从2009年,第一个基于慢病毒的基因治疗(用于治疗另一种单基因疾病,X连锁肾上腺脑白质退化症/X-linked adrenoleukodystrophy)之后,已经有超过300个临床试验使用了慢病毒载体。值得欣喜的是,截止到今天,所有接受治疗的患者,无一产生癌症。也许,假以时日,改进的慢病毒可以真正的帮助我们解决病毒载体的潜在风险。


在绝望中从未停止努力的生物医学界,又一次重新带给全世界许许多多受到单基因遗传病困扰的患者们以希望,让他们战胜病魔,重获新生的希望。


这是我在这个系列要讲的第一个故事,一个悲喜交加,但是却还是带给人们希望的故事。


请期待下一回合:基因治疗的前世今生(四):黄金手指。我们从基因疗法的第二个瓶颈出发,说说另一个带给我们希望的技术发明。

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