基因治疗在临床应用中的研究进展

作者：张馨予

1 基因治疗发展的历史

针对遗传疾病的基因治疗旨在通过向细胞递送治疗性基因来实现基因的持久表达，并以最低的安全风险为前提使治疗基因的表达足以达到改善或治愈疾病的水平。20世纪60年代美国分子生物学家Lederberg J首次提出基因治疗的初步概念，为基因治疗的发展奠定了基础[]。1972年基因疗法被正式提出，并被认可作为人类遗传疾病的一种治疗方式[]。基因治疗根据载体的给药途径可分为离体和在体基因治疗两种类别()：1)离体基因治疗(Ex vivo)是直接取自异体正常细胞或患者自身的病变细胞，体外通过基因导入的方式修饰细胞，将修饰后的细胞体外扩增后回输到病人体内，从而达到治疗疾病的目的。2)在体基因治疗(In vivo)则是利用非病毒或病毒载体直接将治疗基因递送到患者体内的方式来治疗疾病。临床试验针对个体差异和疾病类型的不同而选择最佳的治疗方式：离体基因治疗可通过体外筛选的方式获得更多高效转导且无脱靶效应的细胞。此外，自体细胞的使用不会诱导免疫反应，可实现安全有效的治疗效果。然而，离体基因治疗由于步骤繁琐，细胞的离体操作容易导致其活力低下，且一些整合型病毒的使用更易引起体内的随机插入，进而诱发癌变，因此这一方法的应用受到诸多局限；相比离体基因治疗，在体基因治疗的操作相对简便，对于一些体外无法培养的细胞来说无疑是最佳的选择。但体内编辑的不确定性导致这一方法无法避免随机整合和脱靶效应的发生，并且一些病毒载体还有可能在体内出现严重的免疫反应，因此合理地优化编辑的方法和改造递送的载体将会大大降低这一方法的风险。

基因治疗在临床应用中的研究进展

图 1 基因治疗原理示意图：在体(左)和离体(右)基因治疗 Fig. 1 The principle diagram of gene therapy: in vivo (left) and ex vivo (right).

基因治疗在临床前研究中的突破性进展促使科学家们在20世纪90年代初开始进行临床试验。第一个获得授权的基因治疗研究诞生于1989年美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)，研究人员收集了肿瘤浸润的淋巴细胞，使用逆转录病毒载体(Retrovirus, RV)进行基因标记的方式在体内检测“肿瘤归巢”的功能。这项研究为证明“人类细胞可以被体外基因改造并安全地回输给患者”提供了一个直接证据[]。基因治疗第一个成功的临床案例为1995年报道的一例通过体内回输RV纠正自体白细胞来治疗重度联合免疫缺陷综合征(Severe combined immunedeficiency, SCID)的临床试验，这一案例被认为是基因治疗发展史上一个重要的里程碑[]。自1990年开始，全世界有数百个实验室陆续开展了各种基因治疗的临床试验，据统计截止当前已有超过4 000位病人参与了500多项临床试验[]。

然而，1999年在宾夕法尼亚大学的James Wilson医生开展的一项腺病毒基因治疗临床试验中，受试者由于腺病毒诱发的致命性免疫反应而致死。随后一系列的早期试验结果接连暴露基因治疗严重的副作用，包括针对载体的免疫反应以及载体介导的原癌基因插入激活引起的恶性肿瘤等，这一系列的负面报道无疑给基因治疗的发展蒙上了巨大的阴影[]。这些失败的案例让研究者们开始反思基因治疗的风险因素，从而陆续推动了更多基础研究的快速发展，包括病毒学、免疫学、细胞生物学、动物模型构建和疾病靶向治疗等。伴随着这些领域的快速发展，基因治疗于21世纪初开始逐渐走出困境。慢病毒(Lentivirus, LV)等新型载体的问世提高了外源基因递送到非分裂细胞的效率和安全性。在早期临床试验中，这些安全有效的载体被用于自体造血干细胞(Hematopoietic stem cells, HSCs)的转导，对于患有免疫缺陷、血红蛋白病、代谢和储存障碍的患者而言，这些载体显得更加安全有效。基于此，美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)于2017年批准了首个基因治疗产品，包括嵌合抗原受体T (Chimeric antigen receptor T, CAR-T)细胞免疫疗法治疗B细胞恶性肿瘤(Kymriah和Yescarta)和AAV载体体内治疗先天性失明(Luxturna)。针对神经肌肉疾病和血友病等更多遗传疾病的基因治疗药品也有望在将来获得更多的批准许可。

近年来，基于工程化核酸酶的基因组编辑技术得到了快速发展。与传统的基因治疗不同，基因组编辑技术可实现精确的基因插入、敲除以及“修正”。基因组编辑技术可以在离体细胞上进行，也可以通过载体递送的方式在体内实现原位基因组的编辑。通过基因编辑技术修饰的细胞不存在插入突变致癌的风险，由于外源基因的定点整合，治疗效果不会随着细胞的增殖而丢失，能够实现长期安全有效的治疗效果。目前，基因组编辑技术的临床转化尚处于初级阶段，预计在未来的10年内将开展多项临床基因组编辑试验。