基因疗法如何走出“黑暗时代”

在1972年一篇具有里程碑意义的论文中¹在美国，医生西奥多·弗里德曼(Theodore Friedmann)和生物化学家理查德·罗布林(Richard Roblin)预见了DNA可以被操纵来帮助治疗人类遗传疾病的未来。但他们警告说，在该领域对细胞中的遗传过程、它们与疾病的关系以及治疗的潜在副作用有更深入的了解之前，这种方法应该是禁区。

在接下来的几年里，科学家们开始消除这些障碍，并在1990年取得了重大突破，一名患有严重联合免疫缺陷病的4岁女孩在临床试验中成功治疗²．这开启了一个充满厚望和大胆承诺的十年。

自然指数2022生物医学

但事实证明，早期成就的余辉是短暂的，因为出现了迷宫般的技术挑战。一种常见的基因治疗方法是将健康基因传递到基因库中只有缺陷拷贝的细胞中。一旦进入体内，治疗基因就会指示细胞制造有功能的蛋白质，而不是有缺陷的蛋白质。其中一个困难是如何确保治疗基因在正确的组织中瞄准正确的细胞，并穿梭于数百万个这样的细胞中，而不是仅仅几个，所有这些都不会破坏邻近基因的工作秩序。澳大利亚悉尼皇家阿尔弗雷德王子医院(Royal Prince Alfred Hospital)细胞和分子疗法部门负责人、临床血血学家约翰·拉斯科(John Rasko)说，另一个障碍是确保插入的基因产生足够的蛋白质来完成这项工作。他说:“我们有可以将基因传递到细胞中的工具，但我们无法有效地做到这一点，从而获得治疗效益。”

治疗性基因还需要乘坐一种运载工具，可以悄悄地潜入细胞，而不会引发最强硬的“看门人”——免疫系统——产生有害的、有时是致命的反应。

尽管面临着这些挑战，科学家们还是取得了进一步的进展，但在1999年，一名18岁的试验参与者在接受了一剂治疗鸟氨酸转氨基酰基酶(OTC)缺乏症的实验性基因治疗后不久死于肝衰竭，这是一种罕见的代谢障碍，会阻止身体分解氨。这一悲剧在整个油田引发了冲击波，迫使其重新评估。拉斯科说:“在这之后，基因治疗绝对进入了一个‘黑暗时代’。”然而，更有希望的进展终于开始出现。

病毒作为传输驱动程序

经历了高潮和低谷，病毒仍然是将治疗性基因传递到难以到达的细胞的首选信使。在自然界中，病毒是狡猾的细胞劫持者，可以引发毁灭性的疾病爆发和大流行。它们能够穿透细胞，诱骗宿主复制它们的基因，这也使它们成为基因治疗的完美工具。在西雅图华盛顿大学研究肌肉萎缩症病毒载体基因疗法的Julie Crudele说，病毒经过数百万年的进化，比其他基因治疗载体(如合成纳米颗粒)具有强大的优势。“它们已经被设计成这样了，”她说。“我们只是劫持了他们自然而然做的事情。”

在过去的十年里，人们为克服过去失败的幽灵所做的努力已经开始取得成效，预示着一个乐观的时代，尤其是在遗传性眼疾的治疗方面。全球有近300个临床试验研究基于病毒载体的基因疗法。其中大约一半使用了改良的腺相关病毒(aav)——一种经过充分研究的小型病毒，不会引起人类疾病。这些病毒是基因治疗的理想匹配，因为它们可以针对广泛的组织，在大多数情况下只引发轻微的免疫反应，使它们成为安全、通用和有效的治疗工具。

展现更清晰的视野

基因治疗王冠上最近的一颗明珠是遗传性视网膜疾病，这种疾病导致全球超过200万人视力下降和失明。“在基因治疗和眼科方面有了巨大的爆炸式增长，”佛罗里达州盖恩斯维尔市玻璃体视网膜联合公司的外科医生克里斯汀·凯说。眼睛具有免疫特权，这意味着它们限制局部免疫和炎症反应来保护视力。这使得它们成为理想的基因治疗靶点，因为它们免受免疫诱导炎症的破坏，并且可以在不引起警报的情况下潜入(参见“病毒载体”)。

2017年，voretigene neparvovec-rzyl(上市名称为Luxturna)成为美国食品和药物管理局(FDA)批准的首个基因替代疗法。这是治疗遗传性视网膜疾病的首批疗法之一。这种基因疗法是由宾夕法尼亚州费城的一家生物技术初创企业Spark Therapeutics开发的，可以一次性治疗患有有害基因突变的人RPE65这种疾病会导致严重的视力丧失。该药物依靠AAV载体将该基因的工作副本直接传递到视网膜细胞中，在那里它给出指令，制造一种将光转换为电信号的蛋白质。该疗法也已在欧盟和澳大利亚获得批准。“这是该领域的福音，”托马斯·爱德华兹说，他是墨尔本澳大利亚眼科研究中心视网膜基因治疗研究小组的负责人。

投资者和大型制药公司正在跟进。在2020年之前的两年里，包括诺华、罗氏和拜耳在内的七家制药巨头以接近或超过10亿美元的价格收购了开发基于病毒载体的基因疗法的小型生物技术公司。到2027年，全球基因治疗市场的收入预计将从53.3亿美元跃升至198.8亿美元。位于伍斯特的马萨诸塞大学陈医学院(University of Massachusetts Chan Medical School)专门研究病毒载体的基因疗法研究员高广平(Guangping Gao)说，近年来临床试验的积极结果给患者和研究人员带来了急需的信心。“这种信心最终转化为更多的投资。”

爱德华兹说，Luxturna里程碑为治疗由多基因支持的更常见的眼疾奠定了基础。他说:“遗传性视网膜疾病可以说是一个起点，因为它们适合基因治疗方法。”“我们现在看到这项技术被应用于更常见的疾病，这些疾病在基因上更复杂。”

其中一种疾病是老年性黄斑变性，这是全球视力下降的主要原因。GT005是伦敦Gyroscope Therapeutics公司开发的一种基于aav的基因疗法，旨在治疗干性老年性黄斑变性。GT005的基因有效负载旨在通过促进补体因子I (CFI)的产生来恢复平衡，CFI是一种通常调节补体系统的蛋白质，是人体免疫武器库的一个方面，当它变得过度活跃时，会导致与年龄有关的黄斑变性。增加CFI的产生可以减少与过度活跃的补体系统相关的炎症，减少眼睛中破坏视力的血管的数量。I/II期临床试验正在美国、欧洲和澳大利亚进行。领导澳大利亚试验的爱德华兹说，如果被证明是安全有效的，基于aav的基因疗法可能会给患有这种曾经无法治愈的疾病的患者带来希望。

眼睛和远方

眼睛以外的器官也取得了进展，尽管挑战依然存在。2019年，FDA批准了onasemnogene abparvovec(上市名称为Zolgensma)，这是一种治疗脊髓性肌萎缩症的基于aav的基因疗法。这种疗法由诺华基因疗法公司开发，每剂成本为200万美元，可在两岁以下的患者身上用健康基因替换致病基因。迄今为止，已有2300多名患者接受了Zolgensma治疗。但今年8月，俄罗斯和哈萨克斯坦的两名儿童在接受了一剂疫苗约一个月后死于急性肝功能衰竭，尽管他们已经接受了药物治疗，以降低副作用的风险。在死亡事件发生后发布的一份声明中，诺华表示，急性肝衰竭是Zolgensma“已知的副作用”，但补充说，它将更新其标签，以反映已报告的死亡病例。该公司还表示，它坚定地相信这种药物的“总体有利的风险/收益概况”。

脊髓性肌萎缩症并不是基因疗法打击名单上唯一的神经肌肉疾病。仅在美国就有五项试验，杜氏肌营养不良症也成为治疗的目标。2019年，马萨诸塞州查尔斯敦的生命科学公司Solid Biosciences暂停了SGT-001基因疗法的I期和II期试验，原因是几名参与者出现了不良副作用，包括肝损伤和血小板计数低。但在改进了生产工艺后，该公司在3月份报告说，三名接受高剂量治疗的患者的运动和肺功能得到了改善，而且没有出现以前见过的有害副作用。

以aav为基础的基因疗法治疗肌肉疾病是一个微妙的平衡;Crudele说，需要大剂量才能产生治疗效果，这增加了不良反应的几率。“你真的必须攻击每一个细胞，这意味着你必须给予这些非常大的剂量。”

一些研究人员正在通过调整AAV载体来解决这个问题，以更有效地将工作基因传递给细胞，减少对大剂量的需求。2021年，研究人员对AAV载体本身进行了基因改造^3.．当他们将每种载体注射到患有杜氏肌营养不良症的小鼠体内时，他们发现其中一种经过修饰的载体到达肌肉组织的效率是标准载体的十倍，即使在低剂量下也仍然有效。

黑暗时代的终结?

血友病是一种遗传性凝血障碍，全世界有100多万人受到影响在基因治疗的队列中脱颖而出几十年了。它通常通过定期注射来替代缺失的凝血蛋白来治疗。但高昂的费用使发展中国家的患者无法获得治疗，大约80%的血友病病例都在发展中国家发现。伦敦大学学院专门研究血友病和其他血液疾病基因疗法的Amit Nathwani说:“大多数人会英年早逝，因为他们无法接受治疗。”“对这些人来说，基因疗法将改变游戏规则。”目前至少有12项临床试验探索基于aav的基因治疗血友病A和B。

Nathwani和他在英国Stevenage的生物技术公司Freeline Therapeutics的团队正在美国和欧洲领导一种名为FLT180a (verbrinacogene setparvovec)的血友病B基因疗法的试验。该疗法在合成的AAV载体中提供了受影响基因的功能版本。在2022年的一篇论文中⁴在美国，90%的试验参与者在接受注射两年后凝血蛋白水平仍然很高，这意味着他们不再需要定期注射蛋白质。Nathwani说:“如果你在10年或12年前问我们是否能在B型血友病患者中达到正常范围，我会说不。”“我们一直在开拓新领域。”

随着FLT180a等新兴治疗方法的研发，患有使人衰弱的遗传疾病(从血液疾病到眼睛疾病)的人的未来开始变得更好。Rasko说，尽管基因疗法在成为常规治疗方法之前还有一段路要走，但批准和临床试验的浪潮表明，基因疗法的黑暗时代可能最终会结束。“它会一直存在下去。”