基因治療的兩種主要模式

1、基因治療的兩種主要模式 高中生物學(xué)必修二對(duì)基因治療只是簡(jiǎn)單地提了一下,.基因基因治療臨床意義重大，在部分適應(yīng)癥上，基因治療比傳統(tǒng)的治療方案有明顯優(yōu)勢(shì)，如單基因遺傳病、腫瘤CAR-T療法等。近年國(guó)外已有幾款基因治療產(chǎn)品上市，臨床在研項(xiàng)目眾多，部分也取得了非常好的效果，進(jìn)入臨床試驗(yàn)后期。綜合來看，國(guó)外基因治療行業(yè)已經(jīng)逐步跨入成長(zhǎng)期，有望于未來幾年迎來大爆發(fā)。一、治療模式：“體外”、“體內(nèi)”各有所長(zhǎng)目前基因治療的模式主要有兩種：“離體”治療和“體內(nèi)”治療。（一）“離體”治療：技術(shù)難度偏小，可實(shí)現(xiàn)程度更高“離體”治療的操作對(duì)象是從病人身上分離的細(xì)胞，根據(jù)細(xì)胞類型的不同可分為兩大類：造血干細(xì)胞、T淋巴細(xì)

2、胞等血液細(xì)胞和其他類型的細(xì)胞。（1）血液細(xì)胞：收集分離病人血液中特定類型的細(xì)胞后，利用基因改造的方式對(duì)細(xì)胞錯(cuò)誤的基因進(jìn)行修復(fù)或使其獲得新的功能，再輸回病人血液中，實(shí)現(xiàn)疾病的治療。（2）其他類型的細(xì)胞：以遺傳性大皰性表皮松解癥為例，治療時(shí)獲取病人小塊的皮膚，對(duì)皮膚細(xì)胞基因改造后，利用細(xì)胞自身的增殖能力，體外培養(yǎng)出較大的皮膚組織，再移植到病人身上，實(shí)現(xiàn)疾病的治療。與“體內(nèi)”治療相比，“離體”治療的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在技術(shù)難度較小、對(duì)載體的要求較低、安全性更高等幾個(gè)方面。技術(shù)難度較?。后w外基因改造的技術(shù)方法已經(jīng)較為成熟，臨床上也產(chǎn)生了一些成功的案例。對(duì)載體的要求較低：體外培養(yǎng)環(huán)境對(duì)病毒等載體的容忍度要遠(yuǎn)高

3、于體內(nèi)苛刻的環(huán)境，因此對(duì)于載體的靶向性、免疫原性等要求都大幅降低。安全性更高：在體外對(duì)細(xì)胞基因修飾后，可作進(jìn)一步的篩選，從中找到優(yōu)質(zhì)的細(xì)胞對(duì)病人進(jìn)行治療，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，“離體”治療也存在很大的局限性，主要表現(xiàn)為候選細(xì)胞種類有限、難以長(zhǎng)期保持移植細(xì)胞功效等。候選細(xì)胞種類有限：通過獲取細(xì)胞、體外改造培養(yǎng)的方式，只能產(chǎn)生細(xì)胞類型單一的組織，細(xì)胞難以自發(fā)形成有功能、組成復(fù)雜、形態(tài)多樣的組織和器官，因此較大程度上限制了“離體”治療的應(yīng)用范圍。由于血液細(xì)胞通常是離散的單個(gè)細(xì)胞，不像其他組織器官那樣是由多種類型的細(xì)胞按照特定的規(guī)律聚集組成，故而“離體”治療方案更適用于血液細(xì)胞相關(guān)疾病的基因治療。難以長(zhǎng)

4、期保持移植細(xì)胞功效：部分細(xì)胞（如T細(xì)胞）的增殖能力有限且有一定的生存周期，改造的細(xì)胞回輸病人體內(nèi)后會(huì)逐步喪失增殖能力，逐漸死亡而消失，無法使病人獲得長(zhǎng)期的治療效果。綜合“離體”治療的優(yōu)缺點(diǎn)，目前“離體”治療主要還是集中于對(duì)T細(xì)胞和造血干細(xì)胞的改造上。此外，在部分特殊疾病的治療上也取得了一些進(jìn)展，如2015年德國(guó)波鴻大學(xué)醫(yī)院的醫(yī)生通過基因編輯的方法成功地對(duì)一名遺傳性大皰性表皮松解癥患者進(jìn)行了治療，并取得良好的效果。（二）“體內(nèi)”治療：應(yīng)用前景廣闊，技術(shù)要求更高“體內(nèi)”治療操作時(shí)只需要把攜帶目的基因的載體注入病變部位即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意種類細(xì)胞的基因改造，不再像“離體”治療那樣受到細(xì)胞種類的限

5、制，這是“體內(nèi)”治療相對(duì)“離體”治療最大的優(yōu)勢(shì)，但在技術(shù)上真正實(shí)現(xiàn)任意細(xì)胞的基因改造目前還有一定難度。此外，“體內(nèi)”治療也省去了“離體”治療的細(xì)胞收集、基因改造、培養(yǎng)擴(kuò)增等繁瑣的操作。“體內(nèi)”治療的局限性主要在于載體要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等，因此技術(shù)難度高于“離體”治療。載體要求高：攜帶目的基因的載體（如逆轉(zhuǎn)錄病毒）對(duì)于患者來說是外源性的，故而載體進(jìn)入人體后會(huì)受免疫系統(tǒng)的排斥，使治療效果打折扣；同時(shí)，目前大部分載體靶向性并不好，對(duì)組織和細(xì)胞類型沒有選擇性，要實(shí)現(xiàn)把目的基因遞送到特定細(xì)胞中，現(xiàn)階段常用的方法是體內(nèi)定點(diǎn)注射載體，以期讓載體在空間上盡可能地聚集在靶細(xì)胞附近。因此，選擇合適的載體以緩解免疫

6、排 斥和靶向性等帶來的問題是“體內(nèi)”治療最關(guān)鍵的要素之一。安全風(fēng)險(xiǎn)大：相對(duì)于“離體”治療，“體內(nèi)”治療在載體的細(xì)胞靶向性、基因靶向性等方面都還需要進(jìn)一步改進(jìn)，容易對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生誤操作，且無法通過篩選剔除誤傷的細(xì)胞，故而比“離體”治療風(fēng)險(xiǎn)更大?！绑w內(nèi)”治療的靶組織和器官類型相對(duì)分散，目前主要在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、血友病、肌肉疾病、視網(wǎng)膜病變等疾病的治療上取得了一些成效。二、基因治療的行業(yè)現(xiàn)狀：轉(zhuǎn)基因仍是主流，基因編輯潛力巨大（一）多因素助力基因治療取得成功基因治療的爆發(fā)始于20世紀(jì)90年代初期，現(xiàn)在再回頭看當(dāng)時(shí)那些基因治療的成功案例，或多或少都帶有一些運(yùn)氣的成分。經(jīng)過近30年科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因治療越

7、來越成熟，成功率也不斷提高，主要得益于幾個(gè)方面的因素：（1）病毒載體的改進(jìn)提高了治療的有效性和安全性，如目前應(yīng)用最廣的慢病毒載體和腺相關(guān)病毒載體；（2）載體制備和鑒定技術(shù)的發(fā)展使載體的純度和效力都有了較大幅度的提升，既提高了細(xì)胞轉(zhuǎn)染的成功率，同時(shí)也降低了不良反應(yīng)的發(fā)生率；（3）基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備不斷增加，使得科學(xué)家對(duì)靶細(xì)胞、組織和器官的了解也愈發(fā)深入，能更準(zhǔn)確地預(yù)見基因治療能帶來的效果和副作用，提前做好應(yīng)對(duì)方案；（4）更細(xì)致的臨床觀察、更有效的分子監(jiān)測(cè)也幫助科學(xué)家用更確切的證據(jù)去把握基因治療的療效和安全性；（5）受到1999年美國(guó)男孩死亡事件的影響，2000年以后科學(xué)家對(duì)基因治療臨床試驗(yàn)的開

8、展更加謹(jǐn)慎，對(duì)臨床試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)也做了改進(jìn)，比如招募只表現(xiàn)出早期癥狀的患者參加試驗(yàn)，而不是進(jìn)展至疾病晚期的患者，這也在一定程度上提高了臨床試驗(yàn)的成功率。（二）技術(shù)和人才是行業(yè)最大的壁壘盡管目前基因治療在部分領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但仍有不少亟待解決的問題?；蛑委熂夹g(shù)上的難點(diǎn)主要是如何提高有效性以及降低安全風(fēng)險(xiǎn)。和許多新興技術(shù)一樣，能夠解決行業(yè)痛點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和人才是基因治療行業(yè)目前最大的壁壘。對(duì)于基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的基因治療來說，現(xiàn)階段遇到的技術(shù)瓶頸主要是：（1）病毒載體多缺乏靶向性，并不能特異性地感染病變細(xì)胞，即使不同亞型的腺相關(guān)病毒對(duì)某些組織具有部分選擇性，但也遠(yuǎn)達(dá)不到特異識(shí)別的程度，因此進(jìn)行“體

9、內(nèi)”治療時(shí)，目前只能通過局部定點(diǎn)注射的方式，限制了臨床應(yīng)用范圍；（2）目前臨床上廣泛使用的逆轉(zhuǎn)錄病毒和慢病毒在感染宿主細(xì)胞后會(huì)把自身的基因組插入宿主細(xì)胞的基因組中，其插入的位置是隨機(jī)的，存在引起插入突變及細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的潛在危險(xiǎn)；腺相關(guān)病毒雖然屬于非整合型病毒，但仍存在插入宿主基因組的可能性；（3）理想的基因治療應(yīng)能根據(jù)病變的性質(zhì)和嚴(yán)重程度不同，調(diào)控治療基因以適當(dāng)?shù)乃交蚍绞奖磉_(dá)，但現(xiàn)有的基因?qū)胂到y(tǒng)載體容量有限，不能包容全基因或完整的調(diào)控順序，從而只能借用病毒自帶的基因表達(dá)調(diào)控元件，導(dǎo)致目的基因的表達(dá)量無法調(diào)控，也不能達(dá)到正常生理狀態(tài)下的表達(dá)水平；（4）病毒載體具有一定的毒性和免疫原性，注入患

10、者體內(nèi)后容易被人體的免疫系統(tǒng)所清除，同時(shí)也帶來副作用；（5）病毒載體的基因?qū)胄嗜杂羞M(jìn)一步提升的空間。對(duì)于基于基因編輯技術(shù)的基因治療來說，關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)主要是：（1）基因編輯技術(shù)，特別是CRISPR技術(shù)面世的時(shí)間還太短，存在太多不確定的因素，再加上科學(xué)家對(duì)人類基因功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知還非常不足，輕易改動(dòng)基因可能引發(fā)無法預(yù)見的安全問題；（2）基因編輯系統(tǒng)導(dǎo)入細(xì)胞的效率和基因編輯的效率都還不高，尚無法真正實(shí)現(xiàn)臨床上的大規(guī)模應(yīng)用；（3）基因編輯系統(tǒng)與病毒載體一樣也不具有細(xì)胞靶向性。無論轉(zhuǎn)基因技術(shù)還是基因編輯技術(shù)，要解決當(dāng)前臨床應(yīng)用面臨的技術(shù)難題，對(duì)載體和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)都是最直接、最有效也是無法回

11、避的方式。此外，基因治療多為個(gè)體化的治療方案，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需要做出較大的優(yōu)化和改進(jìn)。除了技術(shù)上的瓶頸，基因治療還存在專利壁壘和倫理糾紛等非技術(shù)障礙。（四）基因治療的臨床應(yīng)用：重點(diǎn)布局腫瘤和遺傳病1、CAR-T：“離體”基因治療目前最成功的應(yīng)用CAR-T治療（Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy，嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫治療）是“離體”基因治療目前在臨床上最成功的應(yīng)用。CAR-T技術(shù)現(xiàn)階段主要用于血液腫瘤的治療，主要代表是FDA于2017年批準(zhǔn)的Kymriah（諾華）和Yescarta（Kite）兩款產(chǎn)品；實(shí)體腫瘤的治療尚屬于探索階段，還

12、需要等待技術(shù)上出現(xiàn)革命性的突破。病人接受CAR-T治療時(shí)，科學(xué)家先從病人的外周血中分離得到T細(xì)胞，再利用慢病毒等載體將人工改造的目的基因?qū)隩細(xì)胞，使T細(xì)胞轉(zhuǎn)變成CAR-T細(xì)胞，從而獲得了特異性識(shí)別并殺傷腫瘤細(xì)胞的能力；待CAR-T細(xì)胞擴(kuò)大培養(yǎng)至一定數(shù)量后，再回輸給病人，實(shí)現(xiàn)腫瘤的治療。以白血病為例，傳統(tǒng)的化療和放療在臨床上已經(jīng)使用了幾十年，對(duì)大部分的白血病有效，療效和副作用都相對(duì)明確，故而現(xiàn)階段仍是臨床上首選的治療方案，但化療和放療對(duì)一部分病人的治療效果并不理想。因此，CAR-T的意義在于給這些傳統(tǒng)療法無效的患者提供新的治療方案，并且多個(gè)CAR-T產(chǎn)品均已在臨床上取得了非常好的治療效果。然而

13、，白血病只是CAR-T臨床應(yīng)用的起點(diǎn)，且目前CAR-T尚作為三線治療方案，未來隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)和成熟，CAR-T技術(shù)有望在除白血病之外的其他血液腫瘤乃至實(shí)體腫瘤的治療上取得突破，這將徹底改變目前腫瘤治療的格局，擁有很大的成長(zhǎng)空間。2、地中海貧血：基因治療有望顛覆現(xiàn)有治療方案地中海貧血即珠蛋白生成障礙性貧血，患者通常表現(xiàn)出常見的貧血狀態(tài)以及相應(yīng)的并發(fā)癥，其致病機(jī)制是珠蛋白基因缺陷使血紅蛋白中的珠蛋白肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成，導(dǎo)致血紅蛋白的組成成分改變，進(jìn)而引發(fā)紅細(xì)胞壽命縮短，表現(xiàn)為慢性溶血性貧血。地中海貧血屬于常染色體隱性基因遺傳病，當(dāng)夫妻雙方均為致病基因的攜帶者時(shí)，其后代有25%的

14、概率會(huì)患病，50%的概率為致病基因攜帶者，25%的概率基因完全正常。針對(duì)地中海貧血，目前臨床上常規(guī)的治療方案是定期輸血，患者需要終身治療，治療費(fèi)用昂貴，且容易產(chǎn)生輸血副反應(yīng)；根治方案是進(jìn)行造血干細(xì)胞移植，將健康人的造血干細(xì)胞植入病人體內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)疾病的治愈，但最大的障礙是造血干細(xì)胞配型非常困難，即使配型成功，多數(shù)病人接受治療后仍需長(zhǎng)期服用免疫抑制性藥物。最有前景的治療方案是基因治療，從病人的外周血中收集造血干細(xì)胞后，利用病毒載體將正常的珠蛋白基因?qū)肫渲校辜?xì)胞功能恢復(fù)正常，再將改造后的造血干細(xì)胞回輸給病人。造血干細(xì)胞來源于病人自身，因此不存在配型和排斥的問題。改造的造血干細(xì)胞進(jìn)入病人體內(nèi)后，會(huì)

15、源源不斷地產(chǎn)生功能正常的新的紅細(xì)胞，從而達(dá)到緩解甚至治愈疾病的目的。綜合比較，目前臨床上地中海貧血的治療方案都存在諸多缺陷，而基因治療則在很大程度上填補(bǔ)了這個(gè)臨床未滿足需求，待技術(shù)進(jìn)一步成熟后，有望在臨床上迅速得到推廣，進(jìn)而取代目前并不完美的治療方案。3、鐮刀型細(xì)胞貧血：基因編輯或?qū)⒛ǔ匀贿x擇的“印跡”鐮刀型細(xì)胞貧血是一種常染色體隱性基因遺傳病，主要見于非洲黑人，也見于中東、希臘、土籍印第安人及與上述民族長(zhǎng)期通婚的人群。正常的紅細(xì)胞呈圓餅狀，而患者的紅細(xì)胞呈鐮刀狀，其攜帶氧的功能只有正常紅細(xì)胞的一半?；颊叱錾肽旰蟀Y狀逐漸出現(xiàn)，除了表現(xiàn)出貧血的相關(guān)癥狀外，臨床上患者還常伴有生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、骨骼

16、發(fā)育異常等表現(xiàn)。鐮刀型細(xì)胞貧血的病理在于-珠蛋白基因發(fā)生單堿基突變，改變了-珠蛋白的氨基酸序列，導(dǎo)致血紅蛋白溶解度下降，進(jìn)而形成管狀凝膠結(jié)構(gòu)，引起紅細(xì)胞扭曲成鐮刀狀。由于形態(tài)異常，鐮刀型紅細(xì)胞易在細(xì)微血管分支處聚集，造成血管阻塞，嚴(yán)重者甚至死亡。目前鐮刀型細(xì)胞貧血尚無法治愈，臨床上采用的治療方案多只能緩解癥狀，如輸血、造血干細(xì)胞移植等，而基因治療有望對(duì)鐮刀型細(xì)胞貧血進(jìn)行根治。不同于地中海貧血轉(zhuǎn)基因的治療方案，鐮刀型細(xì)胞貧血需要對(duì)患者自身錯(cuò)誤的基因進(jìn)行糾正，故而在采集病人的造血干細(xì)胞后，可利用基因編輯技術(shù)，把突變的基因變回正常的基因，使造血干細(xì)胞的功能得到恢復(fù)，再將改造后的造血干細(xì)胞回輸給病人，

17、實(shí)現(xiàn)疾病的治療。4、艾滋?。簭呐既会t(yī)療事件到基因治療艾滋病又稱獲得性免疫缺陷綜合征，由人免疫缺陷病毒（HIV）感染引起。HIV進(jìn)入人體后，主要攻擊CD4陽(yáng)性的T淋巴細(xì)胞，破壞人體的免疫系統(tǒng)，最終患者多因免疫系統(tǒng)崩潰而罹患腫瘤或受其他病原體感染致死。研究發(fā)現(xiàn)，HIV感染T細(xì)胞需要由細(xì)胞表面的多種蛋白共同介導(dǎo)，因此阻斷這些蛋白與HIV的識(shí)別有望治愈艾滋病。科學(xué)家曾偶然發(fā)現(xiàn)一名艾滋病患者在接受骨髓移植后其體內(nèi)的HIV消失了，這意味著這名患者的艾滋病被骨髓移植治愈了。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其骨髓捐獻(xiàn)者天然攜帶CCR532這種基因變異，而該基因原型CCR5是介導(dǎo)HIV感染T細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白之一，這種基因突變阻斷

18、了HIV感染T細(xì)胞的途徑，使T細(xì)胞獲得了抵抗HIV的特殊能力。因此，通過基因編輯的方式，將患者造血干細(xì)胞的CCR5基因替換成CCR532，即可使患者新生成的T細(xì)胞獲得抵抗HIV的能力，再輔以抗病毒藥物的治療，有望實(shí)現(xiàn)艾滋病的治愈。該技術(shù)成熟以后，將徹底終結(jié)目前“談艾色變”的局面。5、血友?。夯蛑委熥尅巴鈧鲅辈辉倏膳鲁Ｒ姷难巡。ˋ型和B型血友?。┦荴染色體連鎖的隱性基因遺傳病?；颊咭蚰蜃踊蛉毕輰?dǎo)致凝血功能障礙，臨床表現(xiàn)為終身輕微外傷即發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間出血。凝血因子有很多種，每種凝血因子均在凝血的過程中發(fā)揮重要作用，不同凝血因子基因的缺陷會(huì)產(chǎn)生不同類型的血友病，臨床均表現(xiàn)為凝血障礙。目前臨床上血友病的治療方案主要是替代治療，即給患者注射其血液中缺少的凝血因子。這種治療方案的缺陷很明顯，不能治愈、需要終身治療，治療費(fèi)用非常昂貴。基因治療的思路非常明確缺啥補(bǔ)啥，只需要利用轉(zhuǎn)基因的方式給患者自身的細(xì)胞補(bǔ)充其缺失的凝血因子基因即可。凝血因子主要由