CRISPR接连获批，新一轮基因编辑技术也进入临床试验阶段

上周五（12月8日），美国食品和药物管理局批准了一种具有里程碑意义的治疗方法——Casgevy，CRISPR-Cas 9疗法治疗镰状细胞病。上个月，英国药品监管机构全球首次批准了这一CRISPR-Cas9基因组编辑疗法。此次在拥有严格监管和利润丰厚医疗市场的美国再度获批，引起全球关注。

 

 

Casgevy这种疗法能使一种基因失效，从而治疗镰状细胞病和β-地中海贫血症。该疗法由美国马萨诸塞州波士顿的制药公司 Vertex Pharmaceuticals 和瑞士楚格的生物技术公司 CRISPR Therapeutics 共同开发。

 

镰状细胞病和β-地中海贫血症是由编码血红蛋白的基因错误引起的，血红蛋白是一种帮助红细胞在体内携带氧气的分子。在镰状细胞病中，异常的血红蛋白会使血细胞变形并变得粘稠，从而形成血块，堵塞血管。这些堵塞会减少对组织的供氧，从而导致剧烈疼痛，即疼痛危象。当基因突变导致血液中血红蛋白含量低、红细胞数量少以及疲劳、气短和心律不齐等症状时，就会出现β-地中海贫血症。

 

临床医生通过从两种疾病患者的骨髓中提取造血干细胞，然后使用CRISPR-Cas9来编辑这些细胞中编码血红蛋白的基因，从而对Casgevy进行治疗。这种基因编辑工具依靠一种RNA分子，引导Cas9酶找到DNA的正确区域，然后进行切割。一旦Cas9到达Casgevy的目标基因BCL11A，它就会切断两条DNA链。BCL11A 通常会阻止胎儿产生一种血红蛋白。通过破坏这一基因，Casgevy 可以产生胎儿血红蛋白，而这种血红蛋白不会像镰状细胞病或β-地中海贫血症患者的成人血红蛋白一样出现异常。在将基因编辑细胞输回体内之前，患者必须接受一种治疗，使骨髓做好接受改造细胞的准备。一旦输入，干细胞就会产生含有胎儿血红蛋白的红细胞。这可以通过增加组织的供氧量来缓解症状。患者可能需要在医院设施中至少呆一个月，治疗细胞在骨髓中居住，并开始制造具有稳定血红蛋白形式的红细胞。

 

针对镰状细胞病的试验对 45 名参与者中的 29 人进行了长期跟踪，得出了中期结果。在治疗后的至少一年时间里，Casgevy 完全缓解了其中 28 人的衰弱性疼痛发作。研究人员还对一种严重的β-地中海贫血病的治疗方法进行了测试，这种病的传统治疗方法是大约每月输血一次。在这项试验中，54 人接受了卡斯奇维治疗，其中 42 人参加了足够长的时间以提供中期结果。在这 42 名参与者中，有 39 人至少在一年内不需要输红细胞。其余 3 人的输血需求减少了 70% 以上。

 

基于Casgevy疗法相同原理的大量其他 CRISPR-Cas9 疗法正在临床试验中，用于治疗一系列疾病。

 

尽管这些疗法非常先进，但它们仅仅是个开始，目前已经有不少公司正在开发新一代基因组编辑疗法。

 

新的基于CRISPR的系统克服了第一代疗法的局限性。与最初的基因组编辑器相比，新系统能更精确、更多变地编辑DNA。而且，它们还能做出最初的工具无法实现的改变，比如开启基因。

 

 

碱基编辑

 

基因组编辑为纠正导致囊性纤维化的突变提供了机会，囊性纤维化会影响肺部和消化系统。但是，传统的CRISPR-Cas9方法在这方面并没有什么用处——CRISPR更擅长破坏，而不是修复。

 

位于美国马萨诸塞州剑桥的 Prime Medicine公司正在探索一种囊性纤维化治疗方法，这种方法利用碱基编辑（base editing）方法，可以改变单个DNA字母或碱基——例如将A转换为G，或将C转换为T。但与老式的CRISPR-Cas9不同，碱基编辑通常不会在该点切割DNA的两条链。相反，Cas-9 会引导其他酶到达选定的位置，然后再进行改变 DNA 碱基所需的工作。

 

自碱基编辑首次被报道以来的七年时间里，研究人员已经开发出了一些方法来减少碱基编辑所产生的不必要的 DNA 改变的数量，并缩小其成分的大小，以便更容易地将它们输送到细胞中。碱基编辑疗法已被用于早期临床试验，包括治疗高胆固醇和一种白血病。

 

但这种技术的卓越精确性是以缺乏灵活性为代价的——只能用于改变某些DNA序列，而不能将大块DNA插入基因组。

 

 

Prime编辑

 

2019 年，一种名为 Prime编辑（Prime editing） 的新型 CRISPR 系统有望解决这些局限性。Prime编辑可以改变单个DNA碱基，也可以在目标位点插入或删除小段DNA。它比碱基编辑更灵活，几乎可以针对和纠正基因组中的任何位点。但它也更加复杂，有很多功能性，但这也使其在运用中面临一些挑战。

 

自 2019 年以来，研究人员通过设计更好的酶，提高了Prime编辑的效率；其他改进措施则防止了细胞的天然 DNA 修复机制介入并引入错误。

 

预计2024年，Prime Medicine 计划向美国食品药品管理局申请许可，启动Prime编辑治疗慢性肉芽肿病的临床试验。

 

与此同时，研究人员也在不断突破这项技术的极限，想方设法将越来越大的DNA片段插入基因组的目标位点。这将为替换整个基因打开大门，从而更容易开发出治疗囊性纤维化等遗传性疾病的疗法。也许未来可以用新的基因拷贝取代有缺陷的基因拷贝，无需设计治疗方法纠正每一个基因突变。

 

 

表观基因组编辑

 

除了改变基因本身的序列外，CRISPR 系统还能通过改变表观基因组（epigenome），包括对 DNA 进行一系列化学修饰，从而影响基因的活性，来改变基因的表达方式。

 

针对表观基因组的技术并没有像碱基编辑那样发展迅速，部分原因是学界传统认为表观基因组编辑会在细胞分裂过程中被清除。

 

今年 5 月，位于美国北卡罗来纳州达勒姆市 Tune Therapeutics 公司的科学家们公布的数据显示，他们可以在非人灵长类动物体内关闭一种名为 PCSK9 的基因，这种基因可以调节胆固醇，而无需改变 DNA 本身的碱基。他们使用了一种方法，在 DNA 上添加甲基化学标签，这些标签附着在 DNA 上，可以调节基因的活性，这种效果至少持续了11个月。

 

与一些每隔几周或几个月就必须重新用药的基于 RNA 的药物相比，表观基因组编辑的持久效果可能更具优势。这种治疗方法不涉及DNA的改变，这也减轻了监管机构对CRISPR-Cas9疗法安全性的担忧。

 

这一发现说明对表观基因组的进一步了解如何推动这些疗法向前发展，并解决其他形式的CRISPR编辑无法解决的疾病。例如，Tune Therapeutics希望利用表观基因组编辑来治疗乙型肝炎病毒感染，使在抗病毒治疗后仍潜伏在细胞中的病毒DNA沉默。

 

虽然这些应用与首个获批的CRISPR药物中使用的CRISPR-Cas9编辑技术相去甚远，但监管机构的批准有助于将基于CRISPR的编辑技术确立为治疗疾病的可行方法，提高人们对表观基因组编辑的兴趣，研究与应用或将进入快车道。

 

 

参考材料：

Stable and Durable Epigenetic Regulation in Non-Human Primates – TuneTx

FDA Approves First Gene Therapies to Treat Patients with Sickle Cell Disease - FDA