医生在美国首次用 CRISPR 改变了一个人的基因

上周，美国医生首次使用基因编辑工具 CRISPR 来尝试治疗活人的遗传病。来自密西西比州的 41 岁女性 Victoria Gray 出生时患有镰状细胞病，这是一种由改变红细胞形状的基因突变引起的经常痛苦和虚弱的病症。到目前为止，只有一种治疗方法存在——仅对 10% 的患者有效的供体移植——但医生认为编辑从格雷自己的骨髓中提取的细胞可以恢复正常的红细胞形成。如果成功，它可能证明是 90% 的镰状细胞患者一直在等待的治疗方法。患有镰状细胞病的人不会制造 β-血红蛋白——这种蛋白质既可以使您的红细胞变得漂亮而圆润，又可以帮助将氧气输送到您的身体中。相反，它们会产生一种称为血红蛋白 S 的有缺陷的蛋白质，这种蛋白质会改变红细胞的化学性质，并导致它们向自身塌陷并变得僵硬并呈镰刀状。钩状细胞在输送氧气方面不如健康的圆形细胞那么有效。相反，它们会卡在小血管中并过早崩溃，使组织和器官无法获得急需的氧气，从而导致疼痛和极度疲劳。为了尝试治疗它，医生从格雷的骨髓中取出干细胞，并使用 CRISPR 调整 DNA 以打开特定蛋白质，从而允许适当的红细胞生成。 Gray 是美国第一个用 CRISPR 改变细胞的人，也是全球第二个。根据 CRISPR Therapeutics（负责该研究的两家生物技术公司之一）2 月份的公告，第一位患者在德国接受了治疗，该患者患有一种类似的遗传性血液病，称为 β 地中海贫血。根据最近的一份新闻稿，该患者（其身份尚未公开）正在改善，并且在四个多月内不需要输血（该病的典型治疗方法）。 CRISPR Therapeutics 是一家总部位于马萨诸塞州剑桥的公司，专注于开发基于基因的疗法，波士顿的 Vertex Pharmaceuticals 最终将在两家公司的联合研究中招募大约 45 名年龄在 18 至 35 岁之间的人，以查看基因改造血细胞是否具有CRISPR 可以永久修复这些有缺陷的镰状细胞。 CRISPR 代表成簇的、规则间隔的短回文重复。它们是重复的 DNA 序列，当与酶（在这种情况下是 Cas9）匹配时，它们就像 DNA 切割剪刀一样，可以切割、移除和替换 DNA 的各个片段。科学家们首先将 CRISPR 确定为细菌的防御系统。当病毒试图接管细菌细胞时，微生物会保留病毒的 DNA 片段，这样如果细菌在攻击中幸存下来，它就有办法在下一次识别入侵者。如果病毒返回，细胞将使用窃取的 DNA 制造 RNA，称为“引导 RNA”，之所以如此命名，是因为它直接引导 DNA 切割酶 Cas9。引导 RNA 在入侵的病毒 DNA 中找到匹配，然后 Cas9 进行切割，破坏病毒 DNA 并保护细菌细胞免受病毒接管。科学家们重新利用 CRISPR-Cas9 系统来做各种各样的事情。他们设计引导 RNA 以匹配他们可能想要移除或改变的任何基因，例如人类致病突变或调节植物生长的基因，然后附加 Cas9。对于镰状细胞疗法，他们针对红细胞中的 BCL11A。 BCL11A 在体内有许多重要作用，但在红细胞中，它抑制一种称为胎儿血红蛋白的蛋白质。如果它被禁用，细胞会产生胎儿血红蛋白——防止细胞镰状化。

鲍说，为了治疗，医生从格雷的骨髓中取出了干细胞。然后，他们使用 CRISPR-Cas9 来切割和禁用 BCL11A 基因，使细胞不再产生阻遏物。一旦编辑过的细胞被注射回患者的骨髓，它们就会开始产生胎儿血红蛋白。所有人类在婴儿时都会产生胎儿血红蛋白，但随着时间的推移，胎儿血红蛋白会急剧下降，身体通常会用 β-血红蛋白或镰状细胞患者的血红蛋白 S 代替它。 “1941 年，一位名叫 Jane Watson 的儿科医生注意到，患有镰状细胞的婴儿直到 6 个月到 1 岁时才出现症状，”贝勒大学的血液学家 Vivien Sheehan 说。她还注意到患有镰状细胞病的婴儿产生胎儿血红蛋白的时间更长，直到大约两岁。 Sheehan 说，自从 Watson 的发现以来，有很多研究表明增加胎儿血红蛋白是一种可行的治疗策略。它可以防止有缺陷的血红蛋白 S 进入红细胞。但是花了将近 80 年的时间才找到真正执行该战略的方法。然而，这种治疗并非没有风险。在医生将编辑过的细胞注射回患者的骨髓之前，他们必须使用放疗和化疗来破坏其他干细胞。如果他们不这样做，未经编辑的干细胞将继续以比编辑过的细胞产生健康红细胞的速度更快地产生镰状红细胞。为了使胎儿血红蛋白具有优势并确保健康的圆形血细胞获得成功，它们会损伤产生镰状细胞的原始干细胞。在那之后，它变成了一个等待游戏。他们等待胎儿血红蛋白增加和镰状血细胞数量减少。 Sheehan 说，为了使患者的治疗值得，它必须显着改善患者的生活质量。必须有功能性支出，长期缓解病情。基因编辑有可能治疗许多遗传疾病和其他目前无法治愈的疾病，包括一些癌症。但是因为它基本上可以随意切割任何 DNA 片段，所以必须非常谨慎地使用。

几个月前，中国科学家何建奎使用 CRISPR 编辑人类胚胎。然后，他将胚胎植入一名女性的子宫，并于 2018 年 11 月生下了双胞胎女孩。 他的目的是禁用胚胎中名为 CCR5 的基因，以便她们能够抵抗父亲携带的 HIV 感染。但是，与镰状细胞试验不同的是，贺建奎的实验在许多国家是一个巨大的道德失误和非法行为。 Sheehan 说，当科学家使用 CRISPR 编辑胚胎时，他们正在改变那个人最终身体中的每个细胞。因此，他关闭了双胞胎心脏细胞、脑细胞、皮肤细胞中的 CCR5 蛋白——无处不在。科学家们不知道这会产生什么副作用，特别是因为同一个基因在不同类型的细胞中可以发挥不同的作用。莱斯大学的生物工程师 Gang Bao 补充说，对胚胎进行基因编辑也会改变它们的性细胞。因此，“无论发生什么基因改变，都会传给下一代——这很危险。”研究镰状细胞 CRISPR 疗法但未参与临床试验的 Bao 说，对于镰状细胞治疗，科学家们只编辑单一类型的体细胞（任何非性细胞的细胞）。这意味着这些改变只影响接受治疗的个体，不能传递给其他世代。研究人员还编辑了一种特定类型的干细胞，使红细胞成为唯一受影响的细胞类型。换句话说，实验治疗被包含在一个人的单一类型的细胞中。 Bao 说，使用 CRISPR 也总是存在意外后果的风险。对于这些临床试验，CRISPR旨在对一个基因进行双链切割，但不可避免地会出现所谓的“脱靶效应”。当酶使用 CRISPR 时，偶尔会切割研究人员不想要的地方是正常的。他说，有一些非常精确的酶版本，但即便如此，脱靶切割的数量也永远不会为零。 Sheehan 说，要知道这些意外剪断是有害的还是太少而不能成为问题，研究人员将不得不观察格雷和其他患者至少 15 年，可能更长。了解胎儿血红蛋白是否是一种长期解决方案以及使用 CRISPR 是否会产生任何意外影响可能需要很长时间。现在下结论还为时过早，但研究人员仍然渴望，因为对于绝大多数镰状细胞病患者，Sheehan 说，“这是唯一可能的治疗方法。”