中国基因治疗发展概况:逐渐兴起、仍需探索

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基因疗法,也叫基因治疗(gene therapy)是指利用分子生物学手段,将核酸导入患者体内,使其表达基因产物(如蛋白质),或对患者基因进行编辑,从而达到治疗疾病的目的。过去的几年中,基因治疗对遗传疾病和癌症表现出惊人的功效,使得社会公众都加入到了对基因治疗的认知热潮之中。

近日,我国基因治疗领域专家、上海交通大学
蔡宇伽教授在 Gene Therapy 杂志发表了题为:An overview of development in gene therapeutics in China 的综述论文,对我国基因疗法的发展做了详细概述。
 

由来已久的基因疗法
 
实际上,基因治疗的最早尝试可追溯到1970年的一场未经批准的临床治疗,当时美国医生斯坦利·科恩(Stanley Cohen)试图通过注射含有精氨酸酶的乳头瘤病毒来治疗一对姐妹的精氨酸血症,该尝试以失败告终。

随后科学家们试图通过引入正常基因组替换突变基因组的方式,达到治疗目的。但在基因疗法的早期阶段,一直没有出现将外源基因传递给人类细胞的有效工具。
直到20世纪80年代末,病毒载体兴起。相应的公共监管体制也在那时候建立起来,并在90年代起正式批准基因疗法用于人体临床试验。

1990年,美国国家食品药品监督管理局
(FDA)正式批准了第一个基因治疗临床试验,美国国立卫生研究院进行了世界上首次人体基因治疗的临床试验。一名年仅4岁患有先天性腺苷脱氨酶缺乏症的小女孩,经过基因治疗技术导入正常的腺苷脱氨酶基因,患儿的免疫能力得以提高,获得了明显的治疗效果。这项临床试验的成功成为当今生物医学发展最重要的篇章。此后,世界各国都掀起了基因治疗的研究热潮。

然而,在1999年,美国一位18岁少年 Jesse Gelsinger 进行了针对先天性鸟氨酸转甲酰酶缺陷症的基因疗法临床试验后,体内产生了严重的免疫反应,并于4天后去世。这名18岁少年成为了首名死于基因疗法临床试验的患者。基因疗法因此遭受重创,人们对基因治疗的热情骤然间降至冰点。

随后的2002年底到2003年,法国巴黎Necker儿童医院报道重症联合免疫缺陷综合征
(SCID-X1)接受基因治疗的患者中,有2例出现了类白血病样症状。这次又一次引发了公众对基因治疗安全性危机的大讨论。从此,人们对基因治疗的期望跌到了低谷,基因治疗临床试验也因此受到了更严格的监管。

直到2012年,欧洲药品管理局
(EMA)批准UniQure公司的基因治疗药物Glybera。尽管该药在2014年正式上市后,商业化道路上并不成功,于2017年退出市场,但它作为西方国家第一个基因治疗产品,彻底打开了基因疗法的大门
 

在之后的几年中,几种基因治疗产品相继涌入市场。2016年,葛兰素史克
(GSK)Strimvelis在欧洲获批上市;2017年,诺华(Novartis)和吉利德(Gilead)分别在美国获批上市的CAR-T疗法KymriahYescarta,以及Spark Therapeutics公司一款基于AAV载体的基因疗法药物Luxturna,等等。
 
全球被批准的基因疗法药物
 
国内基因疗法的发展布局
 
尽管基因疗法最初于国外被开发并展开研究,但从上图中不难发现,世界上首个基因治疗产品其实出现在中国。在基因疗法发展的历史长河上,中国早在1991年就对B型血友病患者展开了世界上第二次的基因治疗临床试验,并于2003年批准获得了世界上第一个基因治疗产品今又生(Gendicine)。随后在约20年的时间里,中国在基因疗法领域方面做出了不断的努力。
 
中国基因疗法的里程碑

就目前而言,我国针对基因疗法领域正在进行的临床试验多达20余项(如下图所示);针对的适应症有A/B型血友病β-地中海贫血转移性非小细胞肺癌食道癌Leber遗传性视神经病变(LHON)自身免疫性缺陷疾病以及各种实体瘤
 
中国正在进行的基因治疗临床试验
随着基因疗法的布局和发展,运用于基因疗法的各类技术也得到了不断地提升,并实现了突破;与此同时,相应的监管机制和法规条款也在不断更新。
 
从20世纪70年代起,基因工程技术的发明带动了基因传输、获取和编辑等与基因疗法密切相关的关键技术的开发,一些重要的基因工程技术如基因载体技术、基因克隆技术、基因编辑技术等给现代基因疗法技术带来了深刻的影响。

基因疗法技术的不断突破

目前,基因疗法领域最热门的技术可以说是AAV载体递送技术CRISPR基因编辑技术单/双碱基编辑技术以及溶瘤病毒基因改造技术等。

(1)腺相关病毒(AAV)载体技术

腺相关病毒(AAV)最早于在20世纪60年代中期从实验室腺病毒(AdV)制剂中发现,随后很快就在人体组织中被发现。它具有无致病性、高效的长期基因表达、易于基因操作以及免疫反应低(或在许多情况下缺乏)的特点,这一系列特性使其成为基因递送的重要工具。
 
重组AAV载体介导转基因表达的过程

目前,前沿的AAV基因组设计能够将衣壳中携带的单链DNA设计成自我互补的序列。这种序列的优点在于它不需要单链DNA复制成为双链DNA的步骤就可以进行转录,与传统的单链AAV基因组相比,它的基因表达更为迅速,而且表达量更高。

至今为止,全球已有三款以重组AAV为载体的基因治疗药物获批上市,除了诺华公司的Zolgensma
(AAV9)以外,另外两款是UniQure公司开发的Glybera(AAV1)和Spark Therapeutics公司开发的Luxturna(AAV2);另外还有一款治疗A型血友病的AAV基因治疗药物BMN-270(来自BioMarin)也提交了上市申请。由此我们可以看出AAV基因疗法的潜力是巨大的。

(2)CRISPR基因编辑技术

作为基因编辑工具,CRISPR已经成为生物医学领域的最热门技术。早在20世纪下半叶,CRISPR序列就已经被科研人员发现并记录 ,直到2002年,这些序列正式被命名为:规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR)

2012年8月,DoudnaCharpentier两个团队合作在Science杂志发表了关于利用CRISPR/Cas系统在体外对DNA进行精确切割的具有开拓性的研究论文:他们可以使用这种CRISPR/Cas9系统在任何想要的地方切割任何基因组。

随后,取得进一步进展的是Broad研究所的华人学者张锋,其研究组于2013年2月发表在 Science的论文表明:CRISPR/Cas9可用于编辑小鼠细胞或人类癌细胞的基因组。在同一期的Science期刊上,哈佛大学的George Church
团队展示了如何使用CRISPR技术来编辑不同的人体细胞,包括正常人的iPS细胞。
CRISPR基因编辑技术的应用
随后,科学家们对CRISPR技术进行了多方面的改进研究,目前,CRISPR技术发展的相当成熟,今年更是荣获诺贝尔化学奖,目前CRISPR技术已经广泛运用于基因疗法领域,有望帮助各类遗传性基因疾病患者获得新的治疗途径。

(3)单/双碱基编辑技术

现有的基因编辑技术,例如CRISPR、ZFN、TALEN,通过在DNA中产生靶向的双链断裂,然后依靠细胞自身修复机制来完成编辑过程;这些方法可以有效地改变基因表达。然而,它们缺乏对编辑结果的控制,脱靶效应以及对DNA双链断裂的依赖,可能导致基因编辑后的细胞出现不可预期的混乱。许多基因组突变发生在单个碱基中,为使基因编辑更加精确,单碱基基因编辑技术应运而生,旨在针对这些单一的碱基错误(即点突变),而不会在DNA中造成双链断裂

2016年4月David Liu教授团队在Nature上发表的论文,首次开发出了胞嘧啶碱基编辑器(CBE),能够在不依赖DNA双链断裂的情况下首次实现了对单个碱基的定向修改。这便开启了CRISPR系统的单基因编辑时代。随后,David Liu教授团队又开发了另一种单碱基基因编辑工具——腺嘌呤碱基编辑器(ABE),从此研究人员首次实现了不依赖于DNA断裂而能够将DNA四种碱基A、T、G、C进行替换的单碱基基因编辑技术

但科学家们在随后的研究过程中发现,单碱基编辑系统存在严重的脱靶效应,同时会诱导大量基因突变,另外还存在着编辑窗口单一、编辑转化效率不高等缺点,故而对其展开了一系列的优化改善研究;2019年10月,David Liu团队再次开发出先导编辑器(Prime Editor, PE),一种能够搜索和替换(碱基)的基因编辑器,在不依赖DSB和供体DNA的条件下便可有效实现所有12种碱基转换(C→T、G→A、A→G、T→C、C→A、C→G、G→C、G→T、A→C、A→T、T→A和T→G),此外还能有效实现多碱基的精准插入。

2020年6月,国内邦耀生物与华东师范大学刘明耀教授及李大力教授团队合作的一项研究表明,将胞嘧啶脱氨酶hAID-腺嘌呤脱氨酶-Cas9n
(SpCas9 D10A突变体)融合在一起,开发出的一种新型双功能碱基编辑器-命名为:A&C-BEmax,不仅可以实现单独的C>T或A>G,还可以在同一等位基因上同时实现C>T和A>G的高效转换。

(4)溶瘤病毒基因改造技术

溶瘤病毒(Oncolytic Virus, OV)是一类能选择性感染和杀伤肿瘤细胞的病毒,具有特异性复制能力,并能激发机体产生抗肿瘤免疫反应。它们的作用原理主要是通过对自然界存在的一些致病力较弱的病毒进行基因改造制成特殊的溶瘤病毒,利用靶细胞中抑癌基因的失活或缺陷从而选择性地感染肿瘤细胞,在其内大量复制并最终摧毁肿瘤细胞
 
溶瘤病毒发展史

溶瘤病毒疗法最初发现于20世纪初期,活跃于20世纪中期的大量临床试验,但由于当时技术有限,主要都是利用天然的溶瘤病毒,其引发的强烈免疫反应和并发症导致效果不佳、副作用大,使得当时化疗和放疗显示出了颠覆性的疗效,故而该领域受到冷落。

后来,随着病毒学和基因工程技术的不断发展,使得人们能对病毒基因进行改造,这大大提高了溶瘤病毒在肿瘤治疗方面的效果、特异性和安全性。之后,溶瘤病毒就开启了肿瘤治疗的新纪元——溶瘤病毒疗法。

随着重组病毒基因组改造技术的逐渐成熟,溶瘤病毒疗法技术已广泛运用于实践。其里程碑事件,是2015年美国FDA和欧盟批准溶瘤病毒T-Vec上市;目前T-Vec已在美国、欧洲和澳大利亚广泛用于复发黑色素瘤治疗。近几年,该领域似乎重新回归到大家的视野中,成为国内外基因疗法研发领域的星星之火,值得期待。

基因疗法监管机制的发展

基因治疗监管政策于1993年首次出台,由国家科学技术委员会颁布的“基因工程安全管理措施”为起步进行推行。

我国基本形成了与基因疗法技术以及行业发展相适应相协调的全面监管政策。
 
中国现行的基因治疗监管规范

展望

近年来,我国基因疗法领域正在逐步兴起。作为一种新的医学领域,它正在深刻地改变着制药业的面貌,但还并未发展成熟,对此人类还需要进行更长时间的探索和发现。

尽管如此,这并不可怕。“泡泡男孩”的基因疗法事件告诫我们,相比于恐惧,在学习中探索未知,才会使基因疗法领域得到蓬勃发展,才能使得更多患者获得生的希望。

因此,公众对该领域的认可、国家社会对该领域的支持、相关法律法规的建树,都将会成为该领域新疗法诞生的关键推力。
参考资料:
Wang, D., Wang, K. & Cai, Y. An overview of development in gene therapeutics in China. Gene Ther 27, 338–348 (2020). https://doi.org/10.1038/s41434-020-0163-7
作为近年来才快速发展的新领域,我国在基因治疗和基因编辑领域的研究应用也处于国际先进水平,在基础科研领域,国内相关高水平论文不断,在治疗应用领域,国内优秀创业公司频现,临床治疗数量仅次于美国。
仅仅在2020年,国内AAV基因治疗CDMO公司派真生物完成数千万元B轮融资,和元生物完成3亿元C轮融资,吉凯基因完成4亿元C轮融资。CRISPR公司吐露港生物希诺谷本导基因先后完成数千万元融资,CRISPR基因编辑动物公司赛业生物完成2.85亿元B轮融资,CRISPR临床治疗研究公司博雅辑因完成4.5亿元B轮融资,等等。

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